Barbecho de antibióticos: Sensibilidad colateral a los antibióticos en biofilms

Se llama sensibilidad colateral a los antibióticos cuando al desarrollar las bacterias resistencia a un medicamento, pueden exponer una vulnerabilidad a una clase diferente de antibióticos que pueden matar efectivamente a las bacterias. 

Los investigadores de la Facultad de Medicina de la Universidad de Pittsburgh expusieron repetidamente a las bacterias que crecieron en biofilms al antibiótico ciprofloxacino para forzar una rápida evolución. Como era de esperar, las bacterias desarrollaron resistencia al medicamento. En este experimento, cuando el biofilm desarrolló resistencia a la ciprofloxacina, se volvió indefenso contra las cefalosporinas. Las bacterias que crecieron en un medio líquido no desarrollaron esta sensibilidad a la cefalosporinas, a pesar de que se volvieron 128 veces más resistentes a la ciprofloxacina que las bacterias que crecieron en el biofilm.

Fig.1 Se puede emplear el barbecho de antibióticos para tratar bacterias que crecen en biofilms

Para modelizar una evolución de bacterias crecidas en biofilms, el laboratorio de Vaughn Cooper utilizó un sistema de bolitas de poliestireno al que se adherían las bacterias de Acinetobacter baumannii. Este sistema les permite cambiar de tubo y por tanto de condiciones con facilidad.

EvolvingSTEM at Winnacunnet HS, Hampton NH. Fuente: Vaughn Cooper

Para estudiar cómo los biofilms se comportan diferente a la hora de desarrollar resistencia a antibióticos frente a bacterias planctónicas se diseñó el experimento de la siguiente manera: 

Fig. 2 Diseño experimental

Se crecieron durante 12 días Acinetobacter baumannii de manera planctónica y en biofilm. Por ese motivo, en la figura 1 vemos filas de 12 tubos de cultivo bacteriano. A la izquierda, tenemos el tubo correspondiente al día 1 y a la derecha el tubo correspondiente al tubo del día 12. En la figura 1A vemos tres filas de tubos. La fila superior corresponde a las bacterias que crecen en medio líquido y sobre las bolitas de poliestireno en ausencia del antibiótico ciprofloxacina. La fila inferior a los cultivos en presencia de una concentración subinhibitoria del antibiótico representada por (0.5 x MIC). MIC significa en inglés "minimal inhibitory concentración" es decir la concentración más baja con la que se mata a la bacteria. La cuantificación de la actividad in vitro de los antimicrobianos se evalúa habitualmente mediante algunas de las variantes de los métodos de dilución. La Concentración Mínima Inhibitoria (MIC  en sus siglas en inglés) se define como la mínima concentración de antimicrobiano (en μg/mL) que inhibe el crecimiento visible de un microorganismo después de 24 horas de incubación a 37°C. 

Como a esa concentración se la multiplica por 0.5 entonces tendremos la mitad de concentración del antibiótico que mata a la bacteria, por lo tanto, al tener el 50% de la cantidad que mata a la bacteria ésta no muere. Al tercer día esta población se divide en dos: una fila en la que se mantiene durante los doce días la concentración subinhibitoria del antibiótico y otra fila, fila inferior, a la que cada 72 hr se aumenta por dos la concentración del antibiótico. 

Para visualizar qué es lo que está ocurriendo a nivel genético en cultivos planctónicos y en cultivos en biofilm en presencia o ausencia de antibióticos, lo que hacemos es secuenciar Acinetobacter baumanii en los días señalados con la estrella roja. 

Y aquí tenemos los resultados:

Figura 3. CMIs (Concentraciones mínimas inhibitorias (mg/L) a la ciprofloxacina medidas durante el experimento de evolución in vitro. Los puntos rojos y azules representan las CMIs de tres poblaciones independientes crecidas en cultivo líquido (rojo) y biofilms (azul). 

Figura 4. Frecuencias de mutación obtenidas bajo presión de concentraciones crecientes de ciprofloxacina en cultivos de bacterias planctónicas y crecidas en biofilm. Fuente: López-Santos y colaboradores.

Figura 5. Sensibilidad colateral y resistencia cruzada a varios antibióticos en bacterias crecidas en biofilms como planctónicas durante los 12 días de duración del experimento de evolución in vitro. CIP, ciprofloxacina; GEM, gentamicina; TET, tetraciclina; FEP, cefepima; POD, cefpodoxima; CAZ, ceftazidima; AMP, ampicilina; AZT, aztreonam; FOX, cefoxitina; TIM2, ticarcilina/clavulánico; AXO, ceftriaxona; FUR, cefuroxima; ETP, ertapenem. Fuente: López-Santos y colaboradores

Para saber más

Plásmidos para frenar la aparición de resistencias

Cristina Herencias, Jerónimo Rodríguez-Beltrán, Ricardo León-Sampedro, Aida Alonso del Valle, Jana Palkovičová, Rafael Cantón, Álvaro San Millán. (2021) Collateral Sensitivity Associated with Antibiotic Resistance Plasmids. eLife. DOI: 10.7554/eLife.65130

Alfonso Santos-LopezChristopher W MarshallMichelle R ScribnerDaniel J SnyderVaughn S Cooper (2019) Evolutionary pathways to antibiotic resistance are dependent upon environmental structure and bacterial lifestyle eLife 8:e47612.