Nuevas metodologías basadas en nanotecnología para el tratamiento de las infecciones crónicas

A u t o re s : J ú l i a A l c à c e r- A l m a n s a , J o e l À l v a re z - P u i g , B e t s y Ve ró n i c a A ré v a l o - J a i m e s , Núria Blanco-Cabra y Eduard Torrents. Grupo de Infecciones Bacterianas y Terapias Antimicrobianas (BIAT). Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) y Departamento de Genética, Microbiología y Estadística. Universidad de Barcelona.

En los últimos años el aumento del conocimiento de la Fibrosis Quística (FQ) ha permitido mejorar los tratamientos, generando un impacto positivo en la calidad de vida de los pacientes Aun así, muchas personas siguen luchando contra la FQ en su día a día, lo que hace necesario más investigación para poder encontrar nuevas terapias y así ayudarles en su lucha contra la enfermedad de manera más eficiente

Una de las mayores complicaciones en la FQ se da a nivel pulmonar, debido a que las mutaciones en el transportador de cloro (CFTR) provocan un aumento de cloro y sodio, lo que desencadena la formación de un moco muy espeso y pegajoso que se acumula en las mucosas de las vías respiratorias. Esto, por un lado, comporta un estrechamiento de estas vías que se asocia con una mayor dificultad para respirar. Por otro lado, este exceso de moco proporciona unas condiciones favorables para que ciertas bacterias u hongos sean capaces de colonizar el pulmón con mayor facilidad y causar infecciones que pueden acabar siendo crónicas.

Las infecciones crónicas que se dan en las personas con FQ pueden estar causadas por muchos microorganismos distintos (bacterias y hongos), cada uno de ellos con sus particularidades. Eso sí, las infecciones crónicas están asociadas con un empeoramiento de la enfermedad y, en definitiva, con la pérdida de la función pulmonar a lo largo de los años Estas infecciones deben ser tratadas rápida y adecuadamente para que remita la infección y de esta manera permitir a los pacientes una calidad de vida mucho mayor

Un dato clave a la hora de intentar tratar estas infecciones es que los microorganismos, en su gran mayoría, no están libres dentro de este moco (lo que llamaríamos células planctónicas) sino que se encuentran creciendo y formando una biopelícula (biofilm en inglés). Una biopelícula es una forma de crecimiento donde diferentes microorganismos se multiplican inmersos en una matriz extracelular que ellos mismos producen de manera activa y que los impermeabiliza. Así, la matriz extracelular está formada principalmente por polisacáridos (azúcares), proteínas y ADN, siendo este ADN diferente al de dentro de la bacteria y denominándose ADN extracelular (Figura 1). Esta forma de crecimiento es una forma de resistencia pasiva para protegerse del ambiente, ya que la impermeabilidad de la biopelícula proporciona normalmente resistencia a múltiples antibióticos y a las células del sistema inmune. Esto les proporciona una resistencia intrínseca a ser eliminados si la terapia antibiótica usada no es la adecuada.

Esta especial resistencia a los antibióticos es particularmente relevante a nivel hospitalario, ya que las pruebas de resistencia antibiótica efectuadas en los laboratorios de microbiología clínica se realizan en células libres (planctónicas) y no en las que están creciendo en biopelículas. Por lo tanto, los resultados obtenidos pueden no corresponderse con los reales que encontramos en el cuerpo, ya que, durante la infección en la FQ, los microorganismos sí estarán formando una biopelícula y su patrón de resistencia a los antibióticos será muy diferente al analizado en el laboratorio.

Además, otra complicación añadida es que en la gran mayoría de biopelículas no hay un sólo tipo de microorganismo, sino que varios tipos de bacterias y hongos conviven simultáneamente, formando lo que llamamos biopelículas polimicrobianas. Actualmente, una de las líneas más prometedoras en este ámbito es entender cómo estos microorganismos interactúan entre ellos, estudiar cómo es la composición de la matriz extracelular de la biopelícula y observar cómo cambia el patrón de resistencia antibiótica en las biopelículas que son polimicrobianas. Este mayor conocimiento es fundamental para poder desarrollar nuevos y mejores tratamientos contra todas las infecciones crónicas, entre ellas las que se producen en las personas con FQ.

Personajes principales en las infecciones crónicas de la Fibrosis Quística

La presencia de Pseudomonas aeruginosa juega un papel muy importante en la FQ. Esta bacteria Gram-negativa posee el equipamiento necesario (factores de virulencia) para hacer frente al sistema inmune del huésped, siendo la capacidad de formar biopelículas uno de los más importantes. Sin embargo, los diferentes microambientes de las vías respiratorias favorecen la diversidad microbiana, por lo que no es sorprendente que, en personas con FQ, se hayan encontrado más de 1000 especies de virus, hongos y bacterias, siendo estas últimas las que predominan en la comunidad (99%). Entonces, es natural considerar que las infecciones incluyen más de un actor interactuando entre sí (infecciones polimicrobianas), aunque las especies involucradas en cada estadio de la infección cambian durante la vida de los pacientes pudiéndose encontrar una variedad enorme de microorganismos colonizando simultáneamente (Figura 2).

Dentro de las bacterias patógenas, Staphylococcus aureus y Haemophilus influenzae son las especies que generalmente colonizan a los pacientes durante su primera década de vida. Sin embargo, P. aeruginosa se convierte en la bacteria dominante en la segunda y tercera década de vida, desplazando incluso a la comunidad local de microorganismos. Además, los pacientes infectados con P. aeruginosa son más vulnerables a adquirir infecciones secundarias, dentro de las que destaca el complejo Burk- holderia cepacia y el género Mycobacterium spp., entre otros. Recientemente, en el estudio de las infecciones crónicas de personas con FQ, también se ha encontrado destacadamente la presencia e interacciones con hongos y levaduras, principalmente del género Aspergillus y Candida, por su asociación con la disminución de la función pulmonar.

Es importante mencionar que dicha diversidad propicia que los microorganismos interactúen entre sí, principalmente compitiendo por recursos. Para ello pueden implementar diferentes estrategias, por ejemplo, pueden secretar moléculas (toxinas) que atacan directamente a las demás especies o pueden apoderarse de nutrientes esenciales para el crecimiento (hierro disponible en el ambiente), afectando a su competencia de manera indirecta. No obstante, en algunas situaciones, ciertas alianzas entre microorganismos pueden resultar muy beneficiosas para su supervivencia, perjudicando así al paciente y agravando la infección Aunque algunas de estas estrategias entre los diferentes microorganismos han sido caracterizadas, aún es necesario mucho trabajo para entender cómo las interacciones polimicrobianas influencian el curso de las infeccio- nes crónicas. De esta forma, nuevas y mejores opciones terapéuticas podrán ser desarrolladas.

Estudio de las biopelículas en el laboratorio

El estudio de biopelículas a través de modelos in vitro, es decir, en el laboratorio, tiene como objetivo mimetizar las condiciones de formación de biopelículas en la naturaleza, pero en un ambiente controlado. Dichos modelos se usan con gran variedad de propósitos: entender el proceso de adhesión de las bacterias a las superficies que colonizan, estudiar cómo éstas adquieren la resistencia antibiótica, o investigar la efectividad de posibles nuevas terapias antimicrobianas. La metodología para desarrollar biopelículas en el laboratorio no es fácil y la tecnología necesaria para estudiarlas no está disponible en la mayoría de los laboratorios de microbiología en el ambiente hospitalario. Esto ocurre especialmente con los modelos llamados dinámicos, los cuales permiten desarrollar biopelículas similares a las que se encuentran en el contexto de infección, pero estos modelos son complejos a nivel técnico y costosos a nivel económico.

Hay que destacar que la nanotecnología, concretamente la microfluídica, ha abierto un camino para facilitar el uso de dispositivos en los laboratorios de microbiología clínica reduciendo su complejidad enormemente. La microfluídica consiste en modelos miniaturizados, en los que el flujo de nutrientes ocurre de tal forma que permite obtener un ambiente muy estable para la formación de biopelículas de manera similar a la que encontramos en el paciente con una infección crónica. El hecho de que sean modelos pequeños también reduce el coste de los reactivos y el espacio necesario para llevar a cabo los experimentos. Un ejemplo es el sistema ideado por nuestro grupo en 2021, el BiofilmChip (Figura 3), un método simple y efectivo para evaluar la susceptibilidad a antibióticos e investigar nuevas estrategias para el control y la erradicación de biopelículas. Dicho modelo tiene potencial para permitir la formación de biopelículas directamente desde esputos de pacientes con FQ y evaluar el tratamiento más efectivo para ellos, acercándonos a una medicina personalizada simple y de bajo coste.

Nuevas estrategias contra biopelículas en FQ

Las estrategias que actualmente se están usando para erradicar las biopelículas son muy diversas; desde combinar distintos antibióticos hasta el uso de bacteriófagos (fagos) entre otros. Los bacteriófagos son virus que por naturaleza solo infectan bacterias, y pueden así contribuir a la erradicación de las biopelículas bacterianas sin perjudicar a los a los pacientes con FQ. Sin embargo, la efectividad de los bacteriófagos en biopelículas es muy baja y en la mayoría de los casos no se obtienen los resultados esperados.

Otra terapia emergente es el uso de enzimas que degradan la matriz extracelular de las biopelículas, debilitando así la capa impermeabilizante que forma la matriz extracelular y permitiendo que los antibióticos puedan penetrar y actuar de manera más eficiente contra las bacterias de la biopelícula. Así mismo, las nanopartículas constituyen otra tecnología novedosa con potencial para la erradicación de las biopelículas (Figura 4). Estas partículas nanométricas (por debajo de 1 micra) actúan como sistemas de transporte para antimicrobianos, protegiéndolos y dirigiéndolos directamente hacia la biopelícula.

En un reciente estudio de nuestro grupo de investigación, se usaron nanopartículas biodegradables de dextrano juntamente con el antibiótico tobramicina y la enzima DNasa I, que se encarga de degradar el ADN de la matriz extracelular de la biopelícula. Usando este sistema en el que se combina el uso de nanopartículas juntamente con enzimas degradadoras y antibióticos, nuestro grupo registró un aumento en la eficacia del antibiótico tobramicina contra las biopelículas de P. aeruginosa aumentando considerablemente la capacidad para erradicar la biopelícula formada.

El apoyo a la investigación, tanto básica como aplicada, permite llevar a cabo descubrimientos que nos hacen avanzar hacia una erradicación eficaz de las biopelículas bacterianas en el contexto de la Fibrosis Quística. Como cada individuo responde a los tratamientos de manera diferente, nuestro grupo de investigación tiene como objetivo poder desarrollar diagnósticos y tratamientos antibacterianos personalizados para un mejor manejo de la infección.

Bibliografía:

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Blanco-Cabra, N., López-Martínez, M. J., Arévalo-Jaimes, B. V., Martin-Gómez, M. T., Samitier, J., & Torrents, E. (2021). A new BiofilmChip device for testing biofilm formation and antibiotic susceptibility. npj Biofilms and Microbiomes, 7(1), 62. https://doi.org/10.1038/s41522-021-00236-1

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Blanco-Cabra, N , Movellan, J , Marradi, M , Gracia, R , Salvador, C , Dupin, D , Loinaz, I and Torrents, E (2022) Neutralization of ionic interactions by dextran-based single-chain nanoparticles improves tobramycin diffusion into a mature biofilm NPJ Biofilms Microbiomes, 8(1), 52 https://doi org/10 1038/s41522-022-00317-9

Pie de foto: Los momentos de cambios pueden suponer una fuente de estrés, por lo que se plantea necesario atender a la salud mental desde el comienzo del tratamiento con los moduladores de CFTR, incluso previamente, para prevenir posibles dificultades