Supresión de la resistencia a carbapenem en Klebsiella pneumoniae

Small Molecule Suppression of carbapenem Resistance in NDM-1 Producing Klebsiella pneumoniae

En las últimas décadas, todos hemos sido testigos del gran aumento del número de bacterias que poseen resistencia a múltiples antibióticos, son las denominadas MDR (multidrug-resistant). Estas bacterias suponen una grave amenaza para la salud pública, dificultando a médicos y profesionales de la sanidad la lucha para mantener las enfermedades bajo control.

Por ello, la ISDA (Infectious Diseases Society) ha advertido a la comunidad médica sobre la importancia del asunto, pidiendo diseñar antibióticos que sean capaces de eliminar las cepas MDR. Entre las MDR que están causando más problemas destaca el MRSA (Staphylococcus aureus resistente a la meticilina) y las ESBL (bacterias productoras de β-lactamasa de espectro extendido), siendo la más frecuente de éstas últimas, Klebsiella pneumoniae. Las ESBL están empezando a ser endémicas en algunos hospitales de diversas regiones por lo que es importante no olvidarse de ellas y trabajar para encontrar posibles tratamientos.

Hasta ahora, los estudios se han centrado más en las Gram positivas, ya que el tratamiento de las Gram negativas es más complicado debido a la composición de su pared celular. K. pneumoniae se encuentra entre las bacterias Gram negativas que más enfermedades nosocomiales causa, entre ellas infecciones de orina o intra-abdominales, neumonía, etc. Ha conseguido generar resistencia a múltiples antibióticos a través de mutaciones genéticas, integrones o por la adquisición de plásmidos.

En Nueva Delhi, 2008, se identificó en un paciente infectado por K. pneumoniae un nuevo plásmido, denominado “Metalo-β-lactamasa”, el cuál recibe el nombre de NDM-1:

• N=Nueva
• D=Delhi
• M=Metalo-β-lactamasa
• 1=Primera en aislarse

Se observó que la resistencia generada por dicho plásmido no era inhibida por los antibióticos denominados β-lactámicos en general, pero sí por el aztreonam, un subtipo, por lo que la sociedad científica se ha centrado en estudiar esta cepa para obtener posibles tratamientos contra las bacterias resistentes.

Los científicos del artículo en cuestión, procedentes de Carolina del Norte (Estados Unidos), decidieron investigar al respecto. Para ello realizaron diversos experimentos:

• EXPERIMENTO 1:

Observaron que en cepas MRSA (Gram +) y MDRAB (Acinetobacter baumannii, Gram -), unas moléculas derivadas del 2-aminoimidazol (2-AI) eran capaces de disminuir la concentración mínima inhibitoria (CMI) de algunos antibióticos, consiguiendo así que con una menor concentración de éstos se inhibiera el crecimiento de la bacteria. Basándose en esta capacidad de los derivados del 2-AI, se preguntaron si se podrían utilizar para disminuir la CMI de determinados β -lactámicos (meropenem e imipenem) en K. pneumoniae, ya que ésta también es Gram -.

La síntesis de los derivados a partir del 2-AI se llevó a cabo modificando los sustituyentes (R: cadenas alquílicas lineales, ramificadas, o aromáticas), y con ello el número de carbonos, como se puede apreciar en la imagen.

Figura 1. Fuente: artículo. Se puede observar la analogía entre la estructura de 2-AI (*), y sus derivados 3a-f (remarcado).

Tras conseguirlos, se utilizó un caldo Müeller Hinton enriquecido con los derivados de 2-AI, ensayo que sirve para determinar la sensibilidad a los antibióticos en medio líquido. Así se resolvió que el compuesto que más reducía la CMI de los antibióticos imipenem y meropenem era el 3d, derivado del 2-AI con 5 carbonos, y que si se aumentaba su concentración, disminuía más la CMI. Este hecho sirvió para confirmar que este compuesto tenía la capacidad de reprimir la resistencia, al ser necesaria una menor concentración de antibiótico para inhibir el crecimiento de la cepa productora de NDM-1.

               Tabla 1. Fuente: artículo. Se observa destacado el compuesto que reduce la CMI de los antibióticos más eficazmente.

• EXPERIMENTO 2:

Posteriormente, como el compuesto 3d era el que más podía reducir la CMI de los β-lactámicos citados, se realizó un nuevo experimento para comprobar si 3d actuaba conjuntamente con uno de los antibióticos. Este experimento consistía en variar la concentración de imipenem, en presencia o ausencia del compuesto 3d en un cultivo Müeller Hinton, y se desarrolló a partir de los datos obtenidos una gráfica tiempo-muerte, con el fin de observar el efecto bactericida del antibiótico y la represión de la resistencia. Se comprobó que la suma de los efectos individuales  de imipenem y 3d era menor que el efecto causado por el tratamiento con ambos simultáneamente, ya que el número de colonias observado en el segundo caso era menor. Por tanto, actuaban sinérgicamente.

• EXPERIMENTO 3:

El siguiente paso fue buscar una posible mejora de la eficacia del compuesto 3d como represor de la resistencia. Para ello sintetizaron una nueva generación de análogos de 2-AI, añadiendo una segunda sustitución. Los distintos sustituyentes de la estructura obtenida (R) se asemejan con los utilizados en el caso anterior, siendo así más fácil de comparar sus efectos con los producidos por la primera generación.

Figura 2. Fuente: artículo. Se añade a la estructura del compuesto 3d una segunda sustitución, sintetizando así una nueva generación de derivados.

Cultivaron la cepa resistente en presencia de los distintos compuestos, y recogieron los datos de las CMI para el imipenem y meropenem:

Tabla 2. Fuente: artículo. El derivado 6i es el más eficaz de la segunda generación, pero no consigue competir con la represión causada por 3d.

Concluyendo que ningún compuesto de la segunda generación es más eficaz que 3d, pues se necesitan concentraciones más altas de los antibióticos para evitar su crecimiento, indicando así que la resistencia no se encuentra reprimida.

• EXPERIMENTO 4:

A continuación se pretendía averiguar si el compuesto 3d suprimía la resistencia sólo en la cepa portadora de NDM-1. Para ello realizaron experimentos en otras estirpes resistentes a β-lactámicos y se vio que  en una de las cepas estudiadas la CMI de imipenem se reducía hasta 16 veces. Con lo cual no reprimía exclusivamente NDM-1.

• EXPERIMENTO 5:

Luego se planteó cuál era el mecanismo molecular por el cual 3d debilitaba a las bacterias, y se observó que el porcentaje de permeabilidad de la membrana aumentaba significativamente. Lo siguiente que se comprobó fue si la modificación de la permeabilidad era el único mecanismo, y se concluyó que debía existir otra manera de aumentar la suceptibilidad celular, hasta ahora en investigación. Se llegó a esta conclusión debido al hecho de que usando distintas variantes del compuesto 3d que no reducían prácticamente la CMI (y por tanto no reprimían la resistencia), el aumento de la permeabilidad era igual o incluso mayor que con 3d.

• EXPERIMENTO 6:

Una vez se demostró que realmente estos compuestos dotan de ventajas a los tratamientos con antibióticos, el siguiente paso fue ver si se pueden llegar a tratar las enfermedades asociadas a estas bacterias patogénicas en organismos eucariotas. En este experimento realizaron un estudio de la actividad hemolítica. Se determinó que a las concentraciones de trabajo usadas hasta el momento del compuesto 3d, sólo se provocaba el lisado del 2.5% de las células presentes. Para que el lisado celular fuera significativo a nivel de organismo, se tendría que aumentar la dosis a altas concentraciones, que no son viables. Por lo tanto, el compuesto complementario al tratamiento con antibióticos se considera inofensivo.

• CONCLUSIÓN:

Se demostró que, pese a que la molécula no tenga capacidad bactericida en sí misma, sí actúa neutralizando la resistencia en la cepa de K. pneumoniae portadora de NDM-1, permitiendo así la actuación más eficiente de los antibióticos.

La trascendencia del compuesto 3d estudiado como producto biotecnológico se puede observar tanto en el campo de la industria farmacéutica, como en el ámbito social, sanitario e investigación, ya que puede tener un alto potencial como coadyuvante en tratamientos. Se permitiría de esta manera mejorar la calidad de vida de las personas, y dar un paso en la lucha contra el problema de las resistencias en bacterias patógenas.

BIBLIOGRAFÍA:

·        Worthington RJ, Bunders CA, Reeds CS, Melander C. (2012). Small molecule suppression of carbapenem resistance in NDM-1 producing Klebsiella pneumoniae. ACS Medicinal Chemistry Letters, 3(5):357-361.

TAMARA GONZÁLEZ COSTA

ANA MUÑOZ VERDÚ

Mª AZUCENA PASTOR MÉNDEZ

ELIZABETH PÉREZ VALENCIANO

CRISTINA ROMERO ROCAMORA