La Ciencia y sus Demonios

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Fuente: Trends in Microbiology

Dicen que el enemigo de nuestro enemigo es nuestro amigo. Ese podría ser un buen lema para la fagoterapia. Esta terapia consiste en el uso de bacteriofagos, virus que infectan bacterias, para tratar enfermedades causadas por bacterias. En este artículo se hace una revisión acerca de los beneficios y las limitaciones de esta técnica. Además entrevistamos al doctor Pedro García, Investigador del CSIC y experto en bacteriofagos.

Los especialistas en enfermedades infecciosas precisan desarrollar con urgencia antimicrobianos debido a la rápida dispersión de las resistencias a antibióticos entre cepas patógenas bacterianas. El uso de fagos (=bacteriofagos) es un nuevo tipo de terapia. Los bacteriofagos son virus que invaden las células bacterianas. Estos virus se encuentran en prácticamente cualquier lugar del planeta, son parásitos obligados y altamente específicos de un tipo de cepa bacteriana determinado. Se ha propuesto el uso de fagos tanto para combatir bacterias que producen infecciones en humanos como en animales y en cultivos.

Fagos reproduciéndose en el interior de una bacteria.

También se ha propuesto su uso en ambientes alimenticios y hospitalarios, con el fin de evitar el crecimiento de bacterias en ellos. A pesar de que se considera que los fagos nunca sustituirán a los antibióticos, sí que pueden de ser gran utilidad cuando actúan de forma coordinada con éstos.

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Historia de la terapia fágica

La historia de la terapia fágica se inicia con el descubrimiento de los bacteriofagos. La primera persona que informó acerca de una actividad antimicrobiana sobre Vibrio cholerae fue Ernest Hankin en el año 1896, y dos años después Nikolay Fyodorovich Gamaleya observó el mismo fenómeno en Bacillus subtilis. En el año 1915 Frederick Twort estableció la hipótesis de que esa actividad antibactericida podía ser debida a un virus. En 1917 Félix d’Herelle afirmó que este fenómeno podría estar provocado por un virus capaz de parasitar bacterias y llamó a esos virus “bacteriofagos”, una palabra que literalmente significa “comedores de bacterias”.

Felix d’Herelle

Poco después de su descubrimiento, en 1919, d’Herelle empezó a emplear fagos para tratar la disentería. Sin embargo los primeros tratamientos estandarizados y con éxito se consiguieron en 1921 por Richard Bruyboghe, al usar la terapia fágica para tratar infecciones de estafilococos en la piel. D’Herelle, al igual que otros investigadores continuaron con el estudio de la fagoterapia, incluso algunas compañías comercializaron fagos contra diversas infecciones durante la década de los 30 del pasado siglo. Esa técnica fue aplicada por el doctor Arrowsmith, personaje de una de las novelas del premio Nobel estadounidense Sinclair Lewis.
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D’Herelle llegó a establecer una patente para la fagoterapia en varios países como Francia, Estados Unidos y Georgia. Durante la I Guerra Mundial los fagos fueron utilizados contra la disentería, y este método fue empleado de forma estándard desde los años 20 hasta los 50 del pasado siglo.

Cartel anunciador de la película “El doctor Arrowsmith” basada en la novela de Sinclair Lewis.

El inicio de la era antibiótica supuso el declive de la terapia fágica. La alta eficacia de estos compuestos llevó al abandono de esta terapia e incluso a un recorte de fondos en la investigación de este tipo de virus. Sin embargo, la aparición de cepas bacterianas resistentes a un elevado número de antibióticos (multirresistentes) obliga a investigar nuevas estrategias para identificar agentes antimicrobianos, y esto hace que se vuelva la vista de nuevo a terapias que en el pasado fueron efectivas. Sin embargo la fagoterapia presenta una importante serie de limitaciones que indican que aún estamos ante una terapia poco viable, o al menos difícil de ser empleada de forma estándar. Estas limitaciones son:

(i)Los fagos poseen un rango de huésped muy estrecho, por lo que es necesario conocer la cepa que está provocando la infección, para posteriormente tener fagos específicos contra esa cepa. Esta especificidad es muy interesante, ya que se asegura que se va a matar únicamente la bacteria que provoca la enfermedad, sin embargo obliga a estar conociendo continuamente, para cada cepa clínica los fagos a los que son susceptibles.

(ii) Los fagos no entran en ciclo lítico tras la infección, sino que una parte de la población puede quedar en fase lisógena, transformándose así en resistentes a la infección por otros fagos.

Ciclo vital de un bacteriofago. En la mayoría de las ocasiones el fago infecta y lisa la bacteria tras producir millones de nuevos viriones (ciclo lítico). Sin embargo en otras, el fago integra su genoma en el cromosoma bacteriano (ciclo lisogénico) y transforma en inmune a la bacteria frente a nuevas infecciones por ese tipo de fago.

(iii) Las preparaciones de fagos tienen que estar libres de bacterias y de posibles toxinas de éstas. Los bacteriofagos se obtienen después de ser crecidos en bacterias, por tanto después de la replicación encontramos los fagos y restos celulares pertenecientes a las bacterias lisadas. Pero las muestras no pueden ser esterilizadas usando autoclaves, ya que el calor también inactivaría a los fagos.

(iv) Los fagos pueden ser inactivados por anticuerpos del paciente, y hay riesgos de procesos alérgicos.

(v) La farmacocinética es mucho más compleja de efectuar con fagos que con los medicamentos estándar, debido a que su concentración varía cada vez que acaba su ciclo lítico.

(vi) Los fagos pueden ser portadores de genes de resistencia a antibióticos o de genes que codifican toxinas. Así por ejemplo, el gen que codifica la toxina colérica reside en el genoma de un fago que queda en estado lisógeno en Vibrio cholerae.

Por todo ello las estrategias actuales tienden a emplear las enzimas que específicamente se encargan de romper (lisar) las células (lisinas).

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Aplicación de las partículas víricas enteras

Su uso es variado, por ejemplo se usan como criterio de clasificación de cepas patógenas. Se aprovecha su elevada especificidad para poder determinar su pertenecen a una cepa u otra. También se emplean en la industria alimentaria para eliminar bacterias lácticas que podrían estropear alimentos. En el ambiente biosanitario se utilizan para eliminar bacterias que forman biofilms sobre material médico, catéteres (por ejemplo de diálisis) o válvulas de implante (como por ejemplo las cardíacas). Estos biofilms son muy persistentes y difíciles de eliminar, por ello estos fagos pueden ser de gran ayuda.

En cuanto al uso como antibacteriano está bastante limitado, dado que asegurar su bioseguridad es un proceso lento y costoso. Recordad lo que ya comenté en este artículo. De todas formas sí que existen preparados de uso tópico con fagos, para tratar infecciones en la piel o el oído interno. También se han utilizado gasas formadas por una matriz biodegradable impregnadas en una solución de fagos que se emplean para tratar infecciones de la piel refractarias al tratamiento antibiótico.

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Enzimas líticas

Los fagos terminan liberando la nueva progenie mediante una ruptura abrupta de la pared bacteriana, algo que recuerda mucho a un estallido. La rotura es producida por la acción en las enzimas líticas. Los genes que codifican las enzimas líticas se encuentran localizados en el genoma del fago. Estas enzimas líticas son mureín hidrolasas altamente evolucionadas que pueden actuar por dos mecanismos diferentes, o bien inhiben la síntesis del peptiglicano de la pared, o bien provocan una ruptura en la estructura de la pared. Las enzimas líticas o lisinas se clasifican según su función biológica. Pueden ser N-acetilmuramidasas (lisozimas o muramidasas), endo-beta-N-acetilglucosaminidasas (glucaminidasas), N-acetilmuramoil-L-alanina amidasas (NAM-amidasas), endopeptidasas y transglicosidasas líticas.

Esquema que representa el punto de la pared bacteriana donde cortan las murein hidrolasas.

Glucosaminidasas, lisozimas y transglicosidasas líticas actúan sobre la incorporación de azúcares, mientras que las endopeptidasas rompen el puente amino que conecta los azúcares y el péptido de los peptidoglicanos.

La capacidad de las enzimas líticas de matar bacterias fue señalada por vez primera por Krause en 1957, sin embargo hasta 2001 no se publicó el primer trabajo que mostraba el potencial de estas proteínas. El grupo de Fischetti demostró que las enzimas líticas purificadas podrían ser empleadas como agentes terapeuticos para reducir la colonización de las mucosas parte de neumococos en ratón. Estas enzimas, al menos en principio, se presentan como un antimicrobiano de alta eficiencia. Además, teniendo en cuenta que los bacteriofagos son los organismos más abundantes en la naturaleza, aún resta por descubrir nuevas enzimas, lo que da una enorme potencialidad a este campo.

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Para hablarnos del potencial de futuro de esta terapia tenemos hoy con nosotros al doctor Pedro García, Investigador del Consejo Superior de Investigaciones Científicas que trabaja con bacteriofagos de Steptococcus pneumoniae con el fin de desarrollar nuevas terapias para combatir las enfermedades que este microorganismo produce: neumonía, otitis o meningitis, entre otras.

¿Crees que realmente estamos en el final de la era antibiótica y que es necesario buscar nuevas estrategias para combatir las bacterias patógenas?
Los antibióticos siguen siendo unos fármacos maravillosos para luchar contra las infecciones bacterianas, pero hay algunas especies que, en los últimos años, se están volviendo multirresistentes a muchos antibióticos y cuando se van acabando los compuestos tradicionales es cuando hay que pensar en nuevas alternativas para poder eliminar la infección bacteriana. Ahí es donde pueden tener cabida estos nuevos antibacterianos basados en los bacteriófagos, o abreviadamente fagos, que son los virus que infectan a las bacterias.
¿Qué experiencias se han obtenido del conocimiento de la biología molecular de los bacteriofagos?, ¿han llevado esos conocimientos al desarrollo de herramientas biotecnológicas beneficiosas para la sociedad?
Se puede decir que la disciplina de la biología molecular nació con el estudio de los fagos a partir de las décadas de los años 40 y 50 del pasado siglo. Un grupo muy brillante de investigadores desentrañaron los mecanismos básicos de la fisiología de estos virus bacterianos y la interacción bacteria-fago. Así, de paso, descubrieron las herramientas básicas de la manipulación del DNA recombinante. En pocas palabras, cómo funcionaban unas proteínas específicas (las denominadas enzimas de restricción) que podían cortar el DNA por sitios determinados y, por tanto, se podía conseguir “cortar y pegar” trozos de genes o genes completos. Este es uno de los más claros ejemplos de cómo una investigación puramente básica se convierte en una herramienta esencial con múltiples aplicaciones prácticas que tienen que ver con la manipulación genética.

¿Contra qué patógenos puede ser útil la fagoterapia?
El uso de la fagoterapia, tanto la utilización de fagos enteros (denominados viriones) como de las enzimas que codifican, está especialmente indicada frente a las infecciones que no responden a los antibióticos habituales. Dependiendo del tipo y grosor de la envuelta celular de cada bacteria, se podrá usar mejor el fago entero o una enzima lítica de pared que romperá específicamente dicha envuelta (esta última opción será preferible sobre todo para las bacterias Gram positivas).

¿En qué estado se encuentran las investigaciones con enzimas líticas, crees que estamos cerca de tener compuestos comerciales contra algún patógeno?
Los estudios con los diferentes productos derivados de los fagos llevan ya unos cuantos años, pero la vía para la comercialización de fármacos es larga y sigue un proceso que debe pasar por las fases de evaluación clínica en animales y en humanos. A pesar de todo ello, ya hay algunos compuestos en el mercado destinados a luchar, por ejemplo, contra infecciones provocadas por bacterias multirresistentes en casos de quemaduras en la piel. En cualquier caso, la investigación basada en fagos enteros parece que va más adelantada que la que se lleva a cabo con las enzimas líticas. Es interesante resaltar que en nuestro laboratorio hemos probado la eficacia de estas enzimas, tanto de origen fágico como bacteriano, para eliminar infecciones neumocócicas en modelos de ratón.
¿Hacia donde crees que deben de encaminarse las futuras investigaciones en esta tecnología/terapia?
Hay que tener en cuenta alguna de las claves de esta investigación con fagos: una de ellas es la buena tolerancia del sistema inmunitario contra estos compuestos lo que les hace muy seguros; otro punto importante se refiere a la probabilidad de que las bacterias muten con facilidad hacia clones resistentes a estos compuestos. Esto es verdad que se produce pero la gran ventaja de trabajar con los fagos es que se puede usar un cóctel conteniendo varios de ellos en una misma preparación (de manera similar a lo que se hace con los fármacos contra el virus del SIDA) para minimizar los efectos de la resistencia natural bacteriana a estos fagos.
Lo cierto es que este tipo de fagoterapia se está orientando a una variedad de usos, no sólo humano, sino en los campos de la agricultura, las granjas avícolas, la acuicultura, etc. En general allí donde pueda originarse alguna infección bacteriana difícil de tratar por los métodos convencionales.

Referencias:

• Revisión en Current Opinión in Microbiology

• Wikipedia – Los bacteriofagos

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