Fagos como alternativa a los antibióticos

 El río Ganges transcurre por una de las regiones más densamente pobladas del planeta. Por ese motivo, a sus aguas llegan todos los días trillones de bacterias intestinales procedentes de los 12 metros de intestinos de millones de personas. Por ese motivo, en el Ganges además de muchísimas bacterias intestinales existe un número todavía más impresionante de virus come bacterias, los llamados bacteriófagos (fago significa comer en griego), también llamados fagos. 

Ernest Hankin, bacteriólogo que descubrió la presencia de los fagos, pionero aeronáutico y un montón de cosas más. Fuente

En 1896, un médico inglés, Ernest Hankin describió que las aguas de este río y del río Jumna, también en la India, poseían propiedades antibacterianas (Salmond and Finneran, 2015) especialmente contra la bacteria causante del cólera. 

En 2015 Twort y en 1917 D´Herelle descubrieron el mundo de los virus que "devoraban" bacterias, los fagos. Y comenzó la carrera por eliminar las bacterias infecciosas (Abedon et al, 2011). 

En la década de 1920, antes del desarrollo de los antibióticos varios médicos comenzaron a tratar infecciones con fagos. Estos virus atacan específicamente a las bacterias sin ser capaces de penetrar en las células de mamíferos o de plantas. Compañías farmacéuticas como Eli Lilly & Co llegaron a comercializarlos (Sulakvelidze et al, 2001). Con la llegada de la penicilina, este tipo de tratamientos basados en fagos se vieron desplazados en Occidente por un producto que eliminaba todo tipo de bacterias sin necesidad de caracterizar la bacteria responsable de la infección. Sin embargo las terapias basadas en fagos continuaron en la extinta Unión Soviética y países satélites. Durante 60 años científicos de estos países publicaron sus resultados en revistas en ruso, polaco y georgiano. En estos países los fagos se utilizaron administrados oralmente en pastillas y líquidos, tópicamente, rectalmente y en inyecciones durante 90 sin que se registrasen reseñas de efectos secundarios.

Aunque existe en la República de Georgia un instituto médico que ofrece estas terapias a sus pacientes, www.eliava-institute.org y en la Unión Europea está en marcha un ensayo clínico para emplear fagos contra Clostridium, el empleo de fagos en humanos en Occidente es escaso. Hay dos motivos para ello, por una parte las agencias americana (FDA) y europea del medicamento (EMA) tienen como máxima un medicamento un principio activo. Los fagos se suelen administrar en cocktails de varios fagos para evitar la aparición de resistencias. Otra razón es que las industrias farmacéuticas no están interesadas en productos en los que puedan aparecer resistencias antes de que venza su patente. 

El uso de terapias basadas en fagos está más avanzada en el ámbito ganadero, primero por tener una regulación más laxa y segundo por el aumento de la demanda de carne libre de antibióticos. La compañía Intralytix tiene dos productos aprobados por la FDA: ListShieldTM y EcoShieldTM, y un tercero SalmoFreshTM pendiente de aprobación. Investigadores independientes de la USDA en Beltsville, Maryland demostraron que EcoShield redujo la concentración de Escherichia coli O157:H7  100 veces en un solo día (Abuladze et al, 2008). 

Fagos como alternativa a los antibióticos

La Organización Mundial de la Salud (OMS) ha declarado en abril de 2014 que la humanidad ha entrado en la era postantibiótica, un periodo en el que la medicina no estará segura al 100% de la eficacia de los antibióticos. Necesitamos urgentemente alternativas a los antibióticos. Una de las causas más importantes en la aparición de resistencias a los antibióticos ha sido su abuso en ganadería, como suplemento alimenticio para prevenir la aparición de enfermedades. El consumo de antibióticos en ganadería es casi cuatro veces más grande que su consumo para uso humano.

Los antibióticos, a pesar de su abuso, en humanos sólo se recetan en respuesta a una enfermedad. En las granjas sin embargo, los antibióticos se utilizan de rutina para promover el crecimiento animal y para prevenir la aparición de brotes infecciosos. Esta práctica ha transformado el microbioma de estos animales de granjas convirtiendo a sus bacterias comensales en reservorios de genes de resistencia a los antibióticos (Baquero, Alvarez-Ortega, & Martinez, 2009). Estas bacterias llegan a la comunidad a través de los trabajadores de las granjas y a través de productos de alimentación (Martinez, 2009).

Las iniciativas llevadas a cabo por distintos gobiernos para limitar su uso en granjas no han tenido demasiado éxito (Roesch et al., 2006). Este problema unido al hecho de que muchos consumidores reclaman productos libres de antibióticos es lo que ha animado a distintas compañías a desarrollar productos basados en fagos para el uso en granjas (Gill & Hyman, 2010).

El descubrimiento de nuevos antibióticos está limitado por el escaso número de moléculas esenciales bacterianas que son lo suficientemente distintas de las humanas para ser buenas dianas terapéuticas (Kohanski, Dwyer, & Collins, 2010). Ser conscientes de este problema mientras todos los días vemos nuevos casos de bacterias multirresistentes a los antibióticos ha dado alas a la investigación en bacteriófagos. Por las especiales características de los fagos no podemos esperar de ellos lo que tenemos con los antibióticos (Gill & Hyman, 2010). Lo mejor es pensar en los fagos no como malos antibióticos sino desde las potencialidades que presentan: especificidad, capacidad de replicación, facilidad de obtención (Levin & Bull, 1996).  Los fagos nos permitirán matar una bacteria patógena dejando la flora bacteriana intacta, podremos descontaminar pozos de agua con pequeñas cantidades de fagos, producirlos en países del tercer mundo con un coste reducido (Marks & Sharp, 2000) o como en el caso de este proyecto generar cócteles a la carta contra bacterias patogénicas aisladas en el Ecuador.

Ventajas de usar fagos

Primero: son unidades autoreplicativas; se replican solamente en el lugar de la infección que es donde se ubican las bacterias patógenas, con lo que se garantiza una máxima dosis de agente antibacteriano en el lugar donde se necesita

Segundo: son más específicos que los antibióticos y por tanto no causan, o lo hacen en mucho menor escala, daño a la microbiota normal del huésped

Tercero: producen pocos efectos secundarios; son una buena alternativa para pacientes alérgicos a antibióticos

Cuarto: los costes de producción son bajos

Quinto: pueden utilizarse con fines profilácticos

Sexto: se pueden suministrar por rutas muy diferentes

Séptimo: poseen efectos sinérgicos con los antibióticos convencionales 

Octavo: la búsqueda de bacteriófagos nuevos es algo rápido y económico, por supuesto mucho más que la de nuevos antibióticos

Nueve: los fagos codifican millones de proteínas con actividad antibacteriana: los enzibióticos

El término enzibiótico es la suma de la palabra enzima y antibiótico. Inicialmente se utilizó exclusivamente para incluir enzimas codificados por bacteriófagos que mostraban actividad antibacteriana.  Hoy se ha ampliado para toda clase de enzimas que independientemente de su origen presentan actividad antibacteriana y/o antifúngica e incluso antiviral. 

Endolisinas: hidrolizan los enlaces covalentes del peptidoglucano para favorecer la liberación de la progenie viral

Las lisinas o endolisinas están codificadas principalmente por bacteriófagos con DNA bicatenario e hidrolizan los enlaces covalentes del peptidoglucano para favorecer la liberación de la progenie viral que por cientos o miles se produce en cualquier ciclo lítico productivo (Young et al., 2000). El término “endolisina” fue introducido en la literatura científica por Jacob y Fuerst en 1958 para hacer hincapié en las lisinas que actuaban desde dentro de la célula y según esto los enzibióticos al actuar desde fuera deberían ser denominados simplemente como “lisinas”. La ruptura del esqueleto carbonado del péptidoglucano da lugar a su acción antibacteriana. Dependiendo de las especificidades enzimáticas las lisinas caen en cinco grandes grupos: N-acetilmuramoil L-alanina amidasa, endopeptidasas, N-acetil muramidasas (lisozimas), endo-β-N-acetil glucosaminidasas y finalmente las transglicosilasas.

Tipos de enzibióticos disponibles anti bacterias Gram positivas

Además, algunas lisinas pueden afectar al crecimiento bacteriano porque poseen secuencias que por su capacidad amfipática desestabilizan la membrana bacteriana (estas secuencias se han detectado en las lisinas del fago T4 que afecta a enterobacterias y los fagos D3 y φKZ de Pseudomonas aeruginosa). De hecho, en una serie de elegantes experimentos (Düring et al., 1999) demuestran que este aspecto es incluso más importante que la lisis del peptidoglucano, pues puede facilitar en el caso de las bacterias Gram negativas el acceso de la lisina a la capa de peptidoglucano, al interactuar creando microporos en la membrana externa (Orito et al., 2004).

Holinas: provocan pequeños agujeros por donde puede salir del citoplasma la lisina del fago

Las holinas (del inglés “hole” agujero) son proteínas codificadas por el genoma de los bacteriófagos para que al interaccionar con la membrana bacteriana realicen pequeños agujeros por donde puede salir la lisina del virus y degradar la capa de peptidoglucano, para que finalmente pueda ser liberada toda la progenie viral. Este sistema de dos componentes (holina/lisina) está sobre todo presente en bacteriófagos complejos de DNA bicatenario como material genético. Otros virus bacterianos más sencillos que incluyen a los DNA y RNA monocatenarios carecen de esta sofisticación e inducen la lisis de la bacteria interfiriendo con la síntesis del peptidoglucano.

Tipos de holinas 

Las bacterias y los fagos, en la naturaleza, se encuentran formando biofilms

Desde la época de Koch, se ha investigado a las bacterias y microorganismos principalmente en su forma planctónica, es decir, en medio líquido. Sin embargo,  aunque se ha postulado que el 99% de las bacterias en un ecosistema existen como biopelículas o biofilms, la investigación de microorganismos formadores de biofilms puede considerarse un área nueva debido a la complejidad de estas muestras. Los fagos, se encuentran allí donde están las células en las que se replican. Si la mayoría de las bacterias existen en biofilms, los fagos también están en ellos. 

Las bacterias se encuentran, en un 2-5% de la masa del biofilm, embebidas en una matriz extracelular,

compuesta por una mezcla de compuestos poliméricos como polisacáridos, proteínas, ácidos nucleicos,

y lípidos. El biofilm tiene canales para distribuir agua, nutrientes, oxígeno, enzimas y desechos celulares. Los fagos se mueven y se difunden por estos canales. 

Los biofilms son un problema en la industria alimenticia

En la industria de productos frescos, bacterias como Salmonella, E. coli O157: H7, L. monocytogenes, Shigella, Bacillus cereus, Clostridium perfringens y Yersinia ingresan a las instalaciones de procesamiento adheridas a los tejidos vegetales donde pueden crecer formando biopelículas (Beuchat , 2002; Da Silva Felicio et al., 2015).

Salmonella spp. y Campylobacter spp. son los patógenos más comunes que se encuentran en las industrias avícolas. La adhesión de Salmonella está influenciada por diferentes propiedades fisicoquímicas de las superficies; por ejemplo, Salmonella puede crecer a 16 ° C en acero inoxidable, mientras que la adherencia se ve obstaculizada en el vidrio (De Oliveira et al., 2014).

Una correlación entre la persistencia de Salmonella spp. en la industria de procesamiento de pescado y también se informó sobre la capacidad para la formación de biopelículas (Vestby et al., 2009).

Algunos fagos, provistos de exopolisacáridos despolimerasas, pueden degradar el material polimérico extracelular, facilitando así la entrada de fagos en las capas más profundas de las biopelículas con la posterior lisis de las bacterias diana (Parasion et al., 2014). Otras proteínas codificadas por fagos con actividad polisacárido despolimerasa se pueden utilizar como agentes antibiofilm (Cornelissen et al., 2011; Gutiérrez et al., 2012b, 2015a).

Además, los bacteriófagos pueden diseñarse para expresar proteínas destinadas a mejorar sus propiedades anti-biofilm. Por ejemplo, el fago T7 se diseñó genéticamente para incorporar el gen dspB que codifica una polisacárido despolimerasa de Actinobacillus actinomycetemcomitans, que fue más eficaz para reducir el recuento bacteriano en las biopelículas de E. coli (Lu y Collins, 2007).

Los biofilms formados por S. enterica serovar Typhimurium se trataron con endolisina Lys68 (2 µM), y esto edujo en 1 unidad logarítmica las células viables en las biopelículas preformadas después de 2 h de incubación en presencia de permeabilizadores de la membrana externa (Oliveira et al., 2014) .

 Recientemente se han descrito dos nuevas endolisinas termoestables, Lys68 del fago phi68 de Salmonella (Oliveira et al., 2014) y Ph2119 del bacteriófago Ph2119 que infecta la cepa MAT2119 de Thermus scotoductus (Plotka et al., 2014). Esta termoestabilidad respalda el uso potencial de estas enzimas derivadas de fagos como desinfectantes.

Bibliografía

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