LABORATORIO DE URGENCIAS

Modelo de Evolución de Resistencia a los Antibióticos

                                                                     
                                                                           Tomoya Maeda; Jinichiro Iwasawa; Hazuki Kotani; Chicara Rususawa et al.

                                                                                                      Nature Communications, 11; article 5970 (2020)

                                                                                                                  Resumido por: Carmen Leitch

La aparición de resistencia a los antibióticos y de bacterias resistentes a múltiples fármacos es un creciente problema de salud mundial y se están buscando activamente estrategias alternativas para suprimir la aparición de bacterias resistentes. Se han identificado varios mecanismos de resistencia a los antibióticos, incluida la activación de bombas de eflujo, modificaciones de objetivos farmacológicos específicos y cambios en la actividad metabólica. Los estudios cuantitativos de la evolución de la resistencia mostraron que estos mecanismos de resistencia están estrechamente interconectados, como lo demuestran las complicadas redes de resistencia cruzada. Resistencia y sensibilidad colateral entre fármacos, que es el fenómeno por el cual la adquisición de resistencia a un determinado fármaco va acompañada de resistencia o sensibilidad a otro fármaco. Estas interacciones entre los mecanismos de resistencia dan lugar a limitaciones de los fenotipos accesibles en la evolución. Por ejemplo, se demostró que el uso cíclico o simultáneo de dos fármacos con sensibilidad colateral, a los que los patógenos no adquirían fácilmente resistencia simultáneamente, suprimía la evolución de la resistencia. Por tanto, dilucidar las limitaciones evolutivas es crucial para predecir y controlar la evolución de la resistencia a los antibióticos; sin embargo, a pesar de su importancia, aún falta una investigación sistemática de las limitaciones evolutivas de la resistencia a los antibióticos.
La evolución de laboratorio asociada con la secuenciación de genotipos y el fenotipado es un enfoque eficaz para investigar las limitaciones de la evolución adaptativa. Aquí, realizamos una evolución de laboratorio de alto rendimiento de Escherichia coli bajo 95 factores estresantes heterogéneos. Para analizar la red ampliada de resistencia cruzada/sensibilidad colateral, que incluye factores estresantes antibióticos y no antibióticos, mientras dilucidamos los mecanismos moleculares asociados con la adquisición de resistencia, elegimos un variedad de químicos antibacterianos, incluidos antibióticos con diversos mecanismos de acción y químicos tóxicos no antibióticos, contra E. coli. El estudio cuantifica los cambios en el transcriptoma, la secuencia genómica y el perfil de resistencia en las cepas evolucionadas, produciendo un conjunto de datos multiescala para analizar la resistencia al estrés. Al analizar el mapa de expresión-resistencia genética mediante técnicas de aprendizaje automático, mostramos la aparición de estados fenotípicos de baja dimensión en las cepas evolucionadas, lo que indica la existencia de limitaciones evolutivas. Luego analizamos los procesos biológicos subyacentes correspondientes a cada estado introduciendo las mutaciones representativas en la cepa original. Para examinar si toda la población o sólo un subconjunto de células son fenotípicamente resistentes, realizamos un perfil de análisis de población (PAP).
La heterorresistencia es un fenómeno común para varias especies bacterianas y clases de antibióticos, en el que una subpoblación entre células susceptibles exhibe una mayor resistencia. Identificamos muchas mutaciones que confieren heterorresistencia, así como represores conocidos de bombas de eflujo de múltiples fármacos. También informamos de una evolución desacelerada, en la que la resistencia de las cepas evolucionadas en un determinado factor estresante es superada por cepas evolucionadas en un factor estresante diferente. En este documento, demostramos cómo nuestro sistema experimental podría proporcionar una comprensión cuantitativa de las limitaciones evolutivas en la evolución adaptativa, lo que conduciría a la base para predecir y controlar la resistencia a los antibióticos.
Las bacterias patógenas se están volviendo cada vez más resistentes a los antibióticos estándar, por diversas razones. Los científicos están tratando de aprender más sobre cómo los microbios adquieren la capacidad de evadir los efectos de estos importantes fármacos. En un estudio reciente, los científicos sometieron colonias de la bacteria Escherichia coli a 95 antibióticos diferentes. Utilizaron tecnologías robóticas para cultivarlos durante 250 generaciones y analizaron cómo la expresión genética cambió en los microbios con el tiempo.
La evolución de laboratorio combinada con análisis genómicos es un enfoque prometedor para comprender la dinámica de la resistencia a los antibióticos.
Desarrollaron perfiles de expresión genética para los microbios y utilizaron herramientas computacionales para analizar esta gran cantidad de datos.
La dinámica evolutiva es atribuible a un número relativamente pequeño de estados intracelulares, lo que indica que probablemente sólo esté equipado con un número limitado de estrategias para la resistencia a los antibióticos", dijo Maeda. Si los investigadores pueden cuantificar cómo evoluciona la resistencia a los antibióticos en E. coli, el El equipo tiene la esperanza de poder predecir y así controlar la resistencia a los antibióticos.
Los científicos pudieron utilizar su sistema para probar 2.162 pares de medicamentos, y esto identificó 157 pares que podrían ayudar a suprimir la adquisición de resistencia a los antibióticos en E. coli.
Los resultados se pueden aplicar al desarrollo de estrategias alternativas para suprimir la aparición de bacterias resistentes a los medicamentos", afirmó Maeda.
En otro estudio, los científicos diseñaron sondas fluorescentes que pueden marcar bacterias y, como tales, pueden usarse para observar cómo reaccionan las bacterias a los antibióticos. Este esfuerzo tiene como objetivo observar mejor el comportamiento de microbios individuales en lugar de colonias grandes.
Al utilizar un antibiótico marcado con una sonda fluorescente, pudimos ver la velocidad a la que las bacterias absorbían el antibiótico. Mientras que un grupo de bacterias comenzó a brillar al mismo tiempo, lo que indica que estaban absorbiendo las bacterias simultáneamente, otro grupo fue muy variable en cuanto a cuándo o si recogieron alguna de las sondas”, señaló el autor del estudio, el Dr. Mark Blaskovich de la Universidad. de Queensland. "Esta variabilidad podría explicar por qué estas bacterias son capaces de sobrevivir: no reciben ningún antibiótico en absoluto".
Se necesitará más trabajo para saber por qué algunas bacterias no se ven afectadas por la exposición a los antibióticos. Esta investigación podría ayudarnos a aprender más sobre cómo mejorar la eficacia de los antibióticos.