Las infecciones bacterianas son la principal causa de muerte entre los pacientes hospitalizados en Estados Unidos, y las bacterias resistentes a los antibióticos van en aumento y causan decenas de miles de muertes cada año. Comprender exactamente cómo funcionan los antibióticos, o por qué no lo hacen, es crucial para desarrollar estrategias de tratamiento alternativas, tanto para combatir nuevas «superbacterias» como para hacer que los medicamentos existentes sean más eficaces contra sus objetivos.
Mediante técnicas de biología sintética, un equipo de investigadores del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard descubrió que las bacterias responden a los antibióticos de una manera muy distinta —de hecho, exactamente opuesta— dentro del organismo que en una placa de Petri, lo que sugiere que algunas de nuestras suposiciones actuales sobre los antibióticos podrían ser incorrectas.
«La idea que tienen la mayoría de los médicos es que los antibióticos funcionan matando a las bacterias que se dividen activamente, y que las bacterias que no se dividen son las que resisten el tratamiento y hacen que las infecciones persistan. Quería saber si eso es realmente cierto: ¿cambia la proporción de bacterias que se dividen a lo largo de una infección y cómo influyen los antibióticos en ello?», dijo Laura Certain, investigadora clínica del Instituto Wyss y del Hospital General de Massachusetts, y primera autora del estudio.
«La biología sintética se utiliza ampliamente para modificar bacterias y hacer que produzcan productos útiles o diagnostiquen enfermedades, y usamos ese mismo enfoque para crear una herramienta microbiológica que nos permita saber cómo se comportan las bacterias dentro del organismo», dijo.
La investigación se publica en el número del 31 de agosto de la revista Cell Host & Microbe.
Certain y sus colegas utilizaron una cepa modificada genéticamente de E. coli que se creó hace unos años en el laboratorio de Pamela Silver, miembro del cuerpo docente principal del Instituto Wyss. Las bacterias tienen un «interruptor» genético codificado en su ADN que cambia de la posición «apagado» a la posición «encendido» cuando se exponen a una sustancia química llamada anhidrotetraciclina (ATC). Al encenderse el interruptor, se produce un cambio genético que permite a las bacterias digerir el azúcar lactosa, algo que no pueden hacer las bacterias cuyos interruptores permanecen apagados. La clave de este sistema es que el interruptor solo puede activarse si las bacterias se están dividiendo cuando se añade ATC; los interruptores de las bacterias que no se dividen permanecerán apagados, incluso si hay ATC. Así, el interruptor ofrece una instantánea que permite determinar si las bacterias estaban activas o latentes en el momento de la exposición a la ATC.
Los estudios sobre bacterias suelen realizarse in vitro, pero las infecciones ocurren en el complejo entorno de los organismos vivos, muy distinto de una placa de Petri. Para estudiar las bacterias in vivo, los investigadores implantaron una pequeña varilla de plástico en las patas de ratones e inocularon allí su cepa bacteriana modificada para imitar las infecciones bacterianas crónicas que suelen aparecer en las personas cuando se implantan dispositivos médicos y articulaciones artificiales. Después inyectaron ATC a los ratones en distintos momentos del transcurso de la infección para activar el interruptor de las células bacterianas que se estuvieran dividiendo.
Al extraer las bacterias de los ratones y cultivarlas en un medio especial que contenía lactosa, observaron que todas las bacterias se dividían activamente durante las primeras 24 horas, pero que para el cuarto día esa proporción había caído a aproximadamente la mitad y se mantuvo constante durante el resto de la infección. Esto indicaba que la cantidad de bacterias eliminadas por el organismo se equilibraba con las nuevas bacterias que se generaban mediante la división celular. Este resultado difería de la respuesta in vitro, en la que todas las bacterias dejaban de dividirse al alcanzar la capacidad de carga de su entorno.
A continuación, los científicos probaron la respuesta de las bacterias a los antibióticos in vivo: dejaron que la infección avanzara durante dos semanas y luego inyectaron a los ratones el antibiótico levofloxacino. Al analizar las bacterias extraídas, observaron que, aunque la cantidad total de bacterias en los ratones había disminuido, la proporción de bacterias supervivientes que se dividían activamente había aumentado. Este resultado contradecía directamente lo observado con los antibióticos in vitro, que mataban más células en división que células que no se dividían. Los investigadores analizaron las colonias bacterianas para detectar resistencia a los antibióticos y no encontraron indicios de que las bacterias hubieran evolucionado para resistir mejor los efectos letales del levofloxacino, lo que confirmó que el antibiótico seguía siendo eficaz.
«Hay varias explicaciones posibles de por qué observamos una mayor proporción de bacterias en división en presencia de un antibiótico», dijo Certain. «Nos parece más probable que las células latentes pasen a un estado activo para “llenar los huecos” que aparecen cuando los antibióticos reducen la población bacteriana total. Si las bacterias siguen dividiéndose activamente durante toda la infección, como sugiere nuestro estudio, deberían ser sensibles a los antibióticos».
De hecho, los investigadores lograron curar la infección con una dosis más alta del antibiótico, lo que indica que, en contra de las suposiciones convencionales sobre las infecciones bacterianas, en este modelo de infección crónica no existe una población fija de células latentes y tolerantes a los antibióticos.
«Si un antibiótico no está funcionando, deberíamos centrarnos en encontrar maneras de hacer llegar una mayor cantidad al sitio de la infección o en identificar otros mecanismos de tolerancia que puedan estar interviniendo, en lugar de suponer que la causa es un bastión de bacterias que no se dividen», dijo el autor de correspondencia y miembro del cuerpo docente principal del Instituto Wyss Jim Collins, quien también es profesor Termeer de Ingeniería y Ciencias Médicas y profesor de ingeniería biológica en el Instituto de Tecnología de Massachusetts.
