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Uso de antibióticos y consecuencias evolutivas para el
resistoma, mobiloma y pangenoma microbiano
Dr. Miguel Gobernado, consultor en Microbiología Clínica, Valencia.
Genes y su expresión: microbioma, pangenoma y panproteoma
El microbioma global abarca todas las células
procariotas en la biosfera. Puede contener 4-6 × 1030
de células.
Los fenotipos del microbioma están codificados por
el pangenoma, conjunto de genes presentes en todos
los genomas de todos los procariotas en la biosfera.
La capacidad de codificación del pangenoma se expresa como el panproteoma, que
es la suma de todas las proteínas codificadas y producidos por el reino microbiano
Whitman WB, et al. Prokaryotes: the unseen majority. Proc Natl Acad Sci U.S.A. 1998; 95:
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El parvoma es un microcosmo de pequeñas moléculas bio-activas, de gran
diversidad estructural, producidas por las células bacterianas (metabolitos
secundarios) (1x1011)
Entre otras múltiples funciones, estas pequeñas
moléculas intervienen en la señalización de célula a
célula (quorum sensing), adhesión y formación de biopelículas, regulación del crecimiento y sexo bacteriano,
resistencias, muerte celular. Moléculas del parvoma, por
ejemplo, son los policétidos, aminoglucósidos, macrólidos, estreptomicina, algunas
quinolonas, terpenoides, alcaloides, péptidos no-ribosomales, fragmentos tóxicos del
peptidoglucano, sideróforos, etc.
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De los millones de compuestos de bajo peso molecular del parvoma, algunos tienen
efecto antibiótico, aunque no lleguen concentraciones inhibitorias en la naturaleza. Su
función principal no es la guerra entre especies, sino la comunicación entre células
(quorum sensing)
Lo que conocemos como "antibióticos" son un subconjunto
menor de este macro-mundo de pequeñas moléculas que,
además, pueden tener otras funciones.
Hoy día, en sentido evolutivo, la palabra antibiótico, se refiere a cualquier molécula
de bajo peso molecular, sintética o natural, que inhibe el crecimiento de bacterias.
Mobiloma y resistoma
El genoma básico común a todas las bacterias contiene unos 250 genes, el
genoma adaptativo nicho específico unos 8.000 y el la diversidad pangenómica
(genes accesorios) más de 139.000.
Las bacterias han evolucionando durante unos 3.800 mill. de años por lo que los
genes que codifican las vías bio-sintéticas y catabólicas de sus parvomas tienen una
historia evolutiva antigua (vg. 600 mill. de años la eritromicina y estreptomicina, y
2.000 mill. algunas β-lactamasas)
Los grupos de genes bio-sintéticos que producen "antibióticos" tienen también genes
de "resistencia" y pueden ser objeto de Traslado Lateral Génico (TLG) (medio
ambiente-patógenos)
Baltz RH. Antibiotic discovery from actinomycetes: will a renaissance follow the decline and
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El mobiloma, que es parte del pangenoma, es capaz de moverse relativamente libre
entre las especies procariotas (TLG)
Los elementos especializados en mover ADN dentro y entre
genomas incluyen plásmidos, transposones, integrones,
de bacteriófagos, secuencias inserción y elementos
integradores de conjugación. Estos elementos y los genes
que transportan son capaces de generar enorme diversidad génica por recombinación
y crear una serie de estructuras de mosaicos complejos. En principio, y en escalas de
tiempo evolutivas, cualquier parte del pangenoma también puede ser movilizado por
TLG.
Shapiro JA, ed. (1983), Mobile genetic elements, Academic Press, ISBN 0-12-638680-3.
Leplae R, et al. ACLAME: Classification of mobile genetic elements, update Nucleic Acids Res
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El resistoma se define como la colección de todos lo genes que pueden contribuir a
la resistencia fenotípica antibiótica. Existe una base de datos de más de 30.000 genes
que son sólo una pequeña proporción del resistoma. Estos genes son componentes
antiguos del pangenoma, se han recuperado en los hielos perpetuos (permafrost) de
30.000 años de edad, en el microbioma de una cueva de 4 millones de años y en los
abismos oceánicos.
Wright GD. The antibiotic resistome: the nexus of chemical and genetic diversity. Nature Rev
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La resistencia es prevalente, heredable y antigua
El papel del uso antropogénico de los antibióticos en la aparición de estos genes es
controvertido, las cosas no siempre son así.
M. Toth y cols. Han descrito una eficiente clase de β-lactamasas OIH-1 de la bacteria
Oceanobacillus iheyensis, habitante en el sedimento a una
profundidad de 1.050 m en el Océano Pacifico. La OIH-1 ha
evolucionado hasta ser una β-lactamasa extremadamente
halotolerante, capaz de hidrolizar su substrato a
concentraciones saturadas de ClNa. La evolución de esta βlactamasa en la salinidad del océano, a diferencia de las terrestres, ha dado lugar a
una superficie molecular recubierta de residuos ácidos. Esto es una prueba de la
existencia de reservorios enzimas de resistencia que no tienen nada que ver con el
uso de antibióticos.
Una aproximación diferente es la de E. Wheeler y cols. que evaluaron la resistencia
a 10 antibióticos como marcador molecular de la intensidad de
la conectividad humana-microbios en las Islas Galápagos. Se
aislaron Escherichia coli y Salmonella enterica de las heces de
iguanas terrestres (Conolophus sp.), iguanas marinas
(Amblyrhynchus cristatus), tortugas gigantes (Geochelone nigra)
y agua de mar. Las bacterias resistentes a los antibióticos se
encuentran en las heces de reptiles de dos sitios turísticos en la Isla San Cristóbal y
del agua de mar cerca de una playa de uso público. Los reptiles que viven en una
proximidad más cercana a los humanos tenían una mayor exposición a las bacterias
de origen humano y a sus genes de resistencia.
K. Bhullar y cols. han informado de una muestra del microbioma
cultivable de Lechuguilla Cave (Nuevo México, USA), una cueva
que ha estado aislada durante más de 4 millones de años. Las
bacterias aisladas son muy resistentes a los antibióticos, algunas
cepas hasta 14 antibióticos diferentes de los que disponemos
comercialmente. Las implicaciones de este estudio son
importantes para nuestra comprensión de la prevalencia de la
resistencia, incluso en microbiomas aisladas del uso humano de los antibióticos.
Los tres estudios anteriores comentados, apoyan una creciente comprensión de que
la resistencia a los antibióticos es natural, antigua, heredable y ligada al pangenoma
microbiano.
D’Costa VM, et al. Antibiotic resistance is ancient 2011. Nature 477: 457-461.
Toth M et al. An antibiotic-resistance enzyme from a deep-sea bacterium. J Am Chem Soc
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Bhullar K, et al. Antibiotic resistance is prevalent in an isolated cave microbiome. PLoS ONE
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Resistencia bacteriana clínica y ecológica
La definición clínica de la resistencia a los antibióticos se suele basar en la respuesta
bacteriana al tratamiento. Un microorganismo se estima como resistente si existe una
probabilidad alta de fracaso terapéutico con antibióticos.
Esta resistencia ha sido definida basándose en los puntos de corte de las
concentraciones mínimas inhibitorias (CMI)
La definición ecológica de resistencia se basa en el valor de la CMI
que identifica el límite superior de la población natural. Se define como
el punto de corte de valor ecológico (ECOFF). Las cepas que presentan
una CMI por encima del ECOFF se consideran resistentes.
Turnidge J, et al. Statistical characterisation of bacterial wild-type distributions of MIC values
and the determination of epidemiological cut-off values. Clin Microbiol Infect 2006; 12: 418-425.
Martínez JL et al. What is a resistance gene? Ranking risk in resistomes. Nature Rev Microbiol
2015; 13: 116–123.
Tipos de resistencia bacteriana antibiótica
Resistoma intrínseco y
determinantes clásicos
Resistencia fenotípica
Persistencia
Biopelículas
Dispersión
Inactivación
Modificación de la diana
Cambios permeabilidad
La mayoría de estudios sobre la resistencia a los antibióticos están basados en el
análisis de bacterias resistentes que han adquirido el fenotipo R por factores genéticos
hereditarios. Los cambios pueden ser por mutaciones (incluyendo reordenamientos
génicos) o a través de TLG de genes de resistencia; sin embargo, hay otras
situaciones, también agrupadas bajo el nombre de resistencia fenotípica, en que la
situación no es heredada. Es una situación transitoria en la que una población
bacteriana, generalmente sensible, es temporalmente resistente.
Resistencia fenotípica / Persistencia
Una subpoblación de bacterias (hasta 1% de las
bacterias en fase estacionaria) no es eliminada por
un antibiótico en condiciones en las que se inhibe la
mayor parte de la población. Al eliminar el antibiótico,
las células persistentes se comportan como sensibles, no es, por tanto, la
consecuencia de un cambio génico. El primer gen descrito (1983) en el desarrollo de
persistencia fue el HipA de E. coli K12. HipA es una toxina del sistema TA, cuya sobreexpresión inhibe el crecimiento de bacterias lo que induce
resistencia por persistencia. Estos sistemas TA suelen estar
formados por 2 componentes, toxina que inhibe el crecimiento
celular, y antitoxina que impide su actividad. Se han descrito
tres sistemas: Los tipos I y III son pequeños RNA, en tanto
que la toxina de tipo II está inhibida por antitoxinas proteínas.
Otros sistemas de TA asociados a células persistentes: HipBA (proteína quinasa),
TisAB (alteración de membrana) TisB/istR, MqsRA (desestabilización sistema TA)
Moyed H, et al. hipA, a newly recognized gene of Escherichia coli K-12 that affects frequency
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Resistencia fenotípica / motilidad tipo “swarming”
El swarming es un tipo de movimiento rápido de poblaciones,
coordinado y envolvente. Lo hacen bacterias hiper-flageladas
(ambientes ricos en nutrientes).
El fenotipo más visible de un complejo proceso de adaptación,
dependiente de la señalización célula-célula [percepción de QS] y de la disponibilidad
de nutrientes. Ha sido descrito, en especies de P. mirabilis, E. coli, S. marcescens, B.
thailandensis, B. subtilis, P. aeruginosa S. enterica, Vibrio, Yersinia. Es importante en
la colonización de algunas superficies durante la infección (vg. pulmones de enfermos
con fibrosis quística)
Fraser GM, et al. Swarming motility. Curr Opin Microbiol 1999; 2: 630–635.
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Resistencia y entorno humano
Se ha demostrado una relación causa efecto entre, el
aumento del uso de antimicrobianos en medicina humana y
veterinaria, el mayor movimiento de personas, los animales
domésticos y salvajes, la mayor industrialización, y el
aumento de la prevalencia de bacterias resistentes a los
antimicrobianos.
Consecuencias evolutivas de la era antibiótica
Sobre el parvoma
Los antibióticos siempre han existido
El hombre los ha descubierto, concentrado, usado y diseminado en el medio
ambiente.
Las concentraciones locales de este subconjunto del parvoma han
aumentado notablemente debido a la actividad humana.
Las zonas del parvoma relacionadas con antibióticos aumentan la presión
selectiva sobre los microbiomas locales.
Sobre el resistoma
El aumento de la concentración de los antibióticos en
el medio ambiente en los últimos 75 años tiene efectos
en la diversidad y cantidad de los genes del resistoma.
La capacidad de TLG de los elementos del resistoma,
hace que genes idénticos de R se puedan encontrar en
diversas especies patógenas de bacterias humanas, en animales domésticos y
silvestres, y en lugares distantes de la influencia de las sociedades
desarrolladas (Ártico, Antártida, Selva Amazónica)
La presión de selección es grave en los flujos de residuos humanos, donde se
arrojan los genes R, mezclados con altas concentraciones de antibióticos y
otros agentes selectivos.
Allen HK, et al. Call of the wild: antibiotic resistance genes in natural environments. Nature Rev
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Martinez JL, et al. What is a resistance gene? Ranking risk in resistomes. Nat Rev Microbiol
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Sobre el mobiloma
Los complejos elementos móviles se producen con alta frecuencia en los
sistemas dominados por el hombre, y en los ecosistemas naturales, donde puedan
moverse por TLG entre los organismos ambientales.
La contaminación antibiótica crea puntos calientes para el
montaje de mosaicos complejos de elementos móviles de
diversas fuentes, y proporciona fuerza selectiva para su
posterior fijación en diversos linajes.
Este fenómeno se ve en la complejidad y aumento de la plasticidad fenotípica
de las islas genómicas y elementos de conjugación de integración de patógenos
nosocomiales emergentes (vg. P. aeruginosa y A. baumannii)
Perry J, et al. The antibiotic resistance "mobilome": searching for the link between environment
and clinic." Front Microbiol 2013; 4: 138.
Antibióticos y genes de resistencia como contaminantes
Los antibióticos y sus genes de resistencia se originaron en ambientes
naturales, pero el uso humano de los antibióticos, en animales, agricultura y
acuicultura, ha perturbado la dinámica de este sistema natural.
El uso de antibióticos conduce a la contaminación de flujos de residuos
humanos, y a la fijación de elementos génicos cada vez más complejos en
microorganismos comensales y patógenos.
Mientras que los antibióticos podrían ser tratados como simples
contaminantes, los elementos móviles xenogénicos son capaces de replicarse,
y por tanto son más afines a las especies invasoras y la extensión por la
biosfera.
Medicina veterinaria y sector agrícola
Anualmente, se administran grandes cantidades de fármacos a los animales en
el sector agrícola para asegurar una cantidad suficiente de alimentos (carne,
huevos y productos lácteos) para la creciente población humana.
Un 70% de los AB que se dan en la cría de animales no son con fines
terapéuticos.
La administración de antimicrobianos a los
animales puede tener otros fines distintos al
tratamiento: promoción del crecimiento, profilaxis y
metafilaxis.
The European Surveillance of Antimicrobial Consumption (ESAC), recopila,
analiza y genera informes de datos de ventas de los antimicrobianos en la UE y
desarrolla un enfoque sobre su uso.
En EE.UU., el consumo de antibióticos en animales representa hasta el 80% de
las ventas de antibióticos.
Se usan en las ganaderías de, al menos, 238 países.
Se estima que el uso global de antibióticos en los animales destinados al
consumo fue de 63.151 t en el 2010 y que subirá un 67% hasta el 2030
(~110.000 t)
En Brasil, China, India, Rusia y Sudáfrica la situación podrá ser peor. Se prevé
un aumento de 99% en el consumo de antibióticos, pero sólo un crecimiento del
13% en sus poblaciones humanas.
.
Van Boeckel TP, et al. Global trends in antimicrobial use in food animals. PNAS 2015; 112:
5649-5654
Bacterias resistentes a los antimicrobianos en la ganadería y animales de
compañía
Algunas cepas bacterianas resistentes se propagan entre los animales, pero pueden
infectar a las personas como agentes zoonóticos. Se ha producido un aumento de los
géneros Listeria, Salmonella, Campylobacter, Staphylococcus, Enterococcus, y
Escherichia.
Ejemplos de R asociada a los animales son:
S. pseudintermedius (SPRM),
S. aureus (SARM –clon
ST398 asociado a ganado-cerdo-)
E. coli BLEE
Enterobacteriaceae MR
Los animales de compañía, en el contexto de terapia con antibióticos para sus
enfermedades infecciosas, son tratados cada vez más como miembros de la familia,
con sus consecuencias.
Acuicultura y bacterias resistentes
Las industrias de pescado, mariscos, y la cría de camarones se ha desarrollado
rápidamente en la última década y se ha convertido en una importante fuente
de alimentos e ingresos.
En las granjas de peces, en donde densas poblaciones son criados
intensivamente, las bacterias patógenas a menudo producen infecciones
devastadoras.
Aunque la acuicultura moderna se basa cada vez más en la vacunación para
evitar infecciones, todavía muchas de ellas se tratan con antibióticos
incorporados a los piensos o en baños de inmersión.
La mayoría de las bacterias patógenas de peces de piscifactorías con
antecedentes de infecciones han desarrollado cepas MR.
Los antibióticos más utilizados son las fluoroquinolonas, florfenicol,
amoxicillina, oxitetraciclinas y sulfonamidas.
En algunas zonas del mundo (sudeste de Asia), es común la agricultura
integrada en la que los residuos orgánicos de aves de corral y ganado son
utilizados en las granjas de peces con la consiguiente presión selectiva de
genes de RA.
De hecho, existe un aumento de la transmisión de genes RA entre la
ganadería y el medio ambiente acuático (Vibrio, Mycobacterium, Kluyvera genes qnr y bla CTM-X-, Aeromonas, Yersinia ruckeri, Sewanella algae- qnr-A)
Heuer OE. Human health consequences of use of antimicrobial agents in aquaculture. Clin
Infect Dis 2009; 49: 1248-1253.
Plantas agrícolas, alimentos y bacterias resistentes
En los suelos del mundo, en los que existen bacterias productoras de
antimicrobianos, hay gran dispersión de BRA.
Los actinomicetos, microorganismos comunes del suelo (Streptomyces,
Micromonospora, Saccharopolyspora), sintetizan más de la mitad de
antimicrobianos conocido con importancia clínica (vg. eritromicina, tetraciclina,
gentamicina, estreptomicina, vancomicina, y amfotericina)
Estos antimicrobianos ahora también alcanzan el medio ambiente por la
terapia humana y animal, a través del estiércol, las aguas residuales y la
agricultura.
Patógenos oportunistas ubicuos en el suelo (P. aeruginosa, Acinetobacter spp.,
Burkholderia spp., Stenotrophomonas spp.), con notable capacidad para
adquirir nuevos genes de resistencia, pueden albergar R intrínseca a varios
antimicrobianos
Las bacterias resistentes pueden ser transferidas de animales y plantas a los
seres humanos:
(1) a través de la cadena alimentaria
(2) por contacto directo o indirecto con la industria de ganado u otros animales
(3) entornos contaminados con estiércol (agricultura)
La estreptomicina y la oxitetraciclina se utilizan
habitualmente para la profilaxis de la enfermedad del
fuego bacteriano en manzanos, perales, membrillos y
nísperos (Erwinia amylovora)
La gentamicina se utiliza en México y América Central para controlar el fuego
bacteriano y varias enfermedades de los cultivos de hortalizas.
El ácido oxolínico se ha utilizado en Israel
contra el tizón de fuego y en Japón contra el
tizón del arroz (Pyricularia grisea).
Aguas residuales y bacterias resistentes
Este tipo de aguas contiene excreciones humanas, de animales y restos de
plantas con abundante carga de bacterias comensales y patógenas resistentes.
Los antimicrobianos se transforman y se degrada en este medio, pero no del
todo, esto hace que se puedan encontrar en concentraciones que van de 1 ng
a 1 mg/L.
Clase
Degradación (%)
Tiempo (días)
Macrólidos
0-50
5-30
Sulfamidas
0-50
22-60
Fluorquinolonas
0-30
56-80
Tetraciclinas
0-50
10-180
β-lactámicos
0-50
30
50
14-75
Imidazoles
Björklund et al. Residues of oxytetracycline in fish and sediments from fish farms. Aquaculture
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Thiele-Bruhn, J. Pharmaceutical antibiotic compounds in soils – a review. Plant Nutr Soil Sci
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Existe un interés creciente en la exploración de la ocurrencia de genes de resistencia
(GT) a antibióticos en el medio ambiente, así como los factores que contribuyen a su
aparición. Los ecosistemas acuáticos proporcionan un entorno ideal para la
adquisición y difusión de RG debido a la contaminación continua por compuestos
antimicrobianos derivados de las actividades antropogénicas
La Dra. Sara Rodríguez-Mozaz y cols. han investigado la cantidad de contaminación
de una amplia gama de antibióticos y los GR liberados en aguas residuales urbanas,
su eliminación a través de una estación depuradora (EDAR) y su presencia en el río
receptor. Se detectaron varios compuestos antimicrobianos en todas las muestras de
agua recogidas. Entre las familias de antibióticos, se detectaron las fluoroquinolonas a
la mayor concentración, especialmente en muestras de efluentes de hospital. Aunque
se observó una buena eficiencia de eliminación de varios compuestos antimicrobianos,
la mayoría de los antibióticos todavía estaban presentes en los efluentes de EDAR.
Los resultados también revelaron que copias de ARG, como blaTEM (resistencia a βlactámicos), qnrS (sensibilidad reducida a las fluoroquinolonas), ermB (resistencia a
macrólidos), Suli (resistencia a las sulfonamidas) y tetW (resistencia a las tetraciclinas),
se detectaron en concentraciones más altas en el efluente de hospital y muestras de
entrada en EDAR.
La eliminación incompleta de antibióticos y RG en EDAR afectó gravemente a las
aguas receptoras, tanto río abajo como río arriba. En conjunto la investigación
demuestra presencia generalizada de antibióticos y RG en las aguas residuales
urbanas y del hospital y cómo estos efluentes, incluso después de ser tratados,
contribuyen a la difusión de estos contaminantes en el medio acuático.
Concentraciones medias (ng/L) de antibióticos en los diferentes puntos de
muestreo
Rodríguez-Mozaz S, et al. Occurrence of antibiotics and antibiotic resistance genes in hospital
and urban wastewaters and their impact on the receiving river. Water Research 2015; 69: 234242.
Depósitos de aguas rurales en Guantao (China)
Ha más de 10.000 Km. de distancia, en la ciudad de Guantao en China, han
encontrado también genes de resistencia antibiótica, en enterobacterias productoras
de BLEE (17% de las muestras) concretamente en cepas de Escherichia coli,
Klebsiella pneumoniae, Raoultella planticola y Enterobacter cloacae.
Tipo de gen bla
Número
%
Fuente
TEM
2
3,0
1/1
CTX-M
17
25,8
6/11
SHV
1
1,5
0/1
TEM+CTX-M
38
57,6
18/20
SHV +CTX-M
6
9,1
2/4
TEM+SHV +CTX-M
2
3,0
1/1
Total
66
100,0
28/38
Zhang H, et al. Multidrug resistance found in extended-spectrum beta-lactamase-producing
Enterobacteriaceae from rural water reservoirs in Guantao, China. Front. Microbiol 6:267. doi:
10.3389/fmicb.2015.00267
En resumen
Los genes de resistencia (resistoma) son de evolución ancestral y, además,
se trasladan entre géneros y especies (mobiloma) y ocupan todo el medio
ambiente (pangenoma), junto a pequeñas moléculas bio-activas, de
comunicación –QS- y capacidad antibiótica (parvoma)
Los antimicrobianos han llegado a alcanzar la categoría de contaminantes
en todos los ambientes (comunidad social, medicina, veterinaria, alimentación,
agricultura, acuicultura …)
La preocupación clínica por las resistencias y el fenómeno de persistencia y
la formación de bio-películas es importante, pero es más la ecológica.
Las actividades antropogénicas son la principal causa del actual
“desaguisado” medio-ambiental.