Reducción de la permeabilidad

De manera general, las bacterias Gram (+) son menos permeables que las bacterias Gram (-) y por lo tanto sus membranas externas forman una barrera impermeable a muchos antimicrobianos (^{Kojima & Nikaido, 2013}). Los fármacos hidrofílicos pueden atravesar la membrana mediante difusión a través de proteínas de membrana llamadas porinas y las principales en Escherichia coli son OmpF y OmpC, que actúan de manera inespecífica, al transportar desde nutrientes hasta colorantes, detergentes y antimicrobianos (^{Tran, Williams Farid, Erdemli & Pearlstein, 2013}). Debido a que reducir la permeabilidad de la membrana externa limita la entrada del antimicrobiano a la célula, las bacterias pueden disminuir la expresión de los genes que codifican para estas porinas y expresar genes que codifican para otras porinas. En Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae y Acinetobacter baumannii la reducción en la expresión de porinas contribuye de manera significativa con la resistencia a B-lactámicos (^{Pang, Raudonis, Glick, Lin & Cheng, 2019}; ^{Baroud et al., 2013}; ^{Lavigne et al, 2013}).

Expulsión del antimicrobiano

Los sistemas de expulsión bacterianos transportan de manera activa a la gran mayoría de los antimicrobianos mencionados en la Tabla I y son los principales responsables de la resistencia intrínseca. Mientras que algunos sistemas de transporte tienen sustratos específicos, por ejemplo, los sistemas Tet, que expulsan de manera específica tetraciclinas, muchos otros pueden expulsar una gran cantidad de sustancias con estructuras totalmente distintas y a éstos se les conoce como sistemas de expulsión múltiple (^{Du et al., 2018}). Actualmente, se han identificado seis familias diferentes de transportadores bacterianos capaces de conferir resistencia a los antimicrobianos, uno de ellos son los de unión al ATP (ABC por sus siglas en inglés, ATP-binding cassette) que utilizan directamente al ATP como fuente de energía para realizar el transporte, mientras que las otras cinco familias de transportadores funcionan a través del potencial de membrana y son: facilitadores mayores (MFS, major facilitat or superfamily), expulsión de antimicrobianos y toxinas (MATE, multidrug and toxin extrusion), proteínas pequeñas de resistencia a antimicrobianos (SMR, small multidrug resistance), resistencia, nodulación y división celular (RND, resistance-nodulation-cell division) y los sistemas de expulsión de proteobacterias (PACE, proteobacterial, antimicrobial compound efflux) (^{Du et al., 2018}).

Todas las bacterias contienen diversos genes que codifican sistemas de expulsión múltiples dentro de sus cromosomas, algunos pueden ser movilizados a través de plásmidos, transposones o bacteriófagos (Figura 1) por lo que estos sistemas están ampliamente distribuidos y en la actualidad aproximadamente el 80% de las infecciones hospitalarias severas se atribuyen a bacterias Gram (-) con sistemas de expulsión múltiple activos (^{Viale, Giannella, Tedeschi & Lewis, 2015}). Se conoce, además, que para que estos sistemas sean aún más efectivos pueden sobreexpresarse, es decir, aumentar el número de proteínas transportadoras presentes en las células y por lo tanto aumentar aún más la expulsión. Desde 1990, se han aislado cepas de P. aeruginosa y S. aureus capaces de sobreexpresar sistemas de expulsión (^{Pumbwe & Piddock, 2000}; ^{Kosmidis et al., 2012}), por lo que el entendimiento de estos sistemas es importante debido a que es muy común encontrarlo en superbacterias y hoy en día es urgente diseñar nuevas estrategias para prevenir la expulsión de los antimicrobianos.

Mutación de genes que codifican el sitio blanco

La mayoría de los antimicrobianos tienen alta afinidad por su sitio blanco y una vez que se unen con éste, tienen la capacidad de desestabilizar las funciones normales de un organelo específico o una vía metabólica fundamental para la célula bacteriana, por lo que cambios en la estructura del blanco que impidan la unión del fármaco pero que permitan continuar con su funcionamiento normal, confieren resistencia a los antimicrobianos (Figura 2). Durante el transcurso de una infección bacteriana puede ocurrir un fenómeno llamado selección, donde dentro de una población de bacterias surgen algunas que pueden desarrollar una mutación simple que confiere resistencia y por lo tanto pueden proliferar, a pesar del antimicrobiano y volver obsoleta la terapia contra ellas. Para el caso de las superbacterias se reduce significativamente el número de fármacos viables, ya que pueden acumular múltiples mutaciones en diversos genes y sobrevivir a una gran cantidad de antimicrobianos.

Interferencia con la unión del antimicrobiano

La protección del sitio blanco es una manera muy efectiva de protegerse contra el efecto de un antimicrobiano y básicamente consiste en sintetizar una molécula que pueda modificar al blanco sin inhibirlo o pueda unirse al antimicrobiano y por lo tanto bloquearlo. En los últimos años la protección de los sitios blanco se ha vuelto de interés clínico debido a la resistencia conferida contra importantes antimicrobianos: por ejemplo, la protección mediada por la metilasa del RNA ribosomal 16S, codificada por el gen erm, que previene la unión de macrólidos, lincosamidas y estreptograminas (^{Shore et al., 2011}). Es decir, sólo un factor de resistencia puede inactivar a tres diferentes familias de antimicrobianos. Otro ejemplo de interferencia son las proteínas Qnr que con capaces de bloquear la unión de las quinolonas con su sitio blanco, las topoisomerasas II y IV, y de esta manera conferir resistencia (^{Goto, Kawamura & Arakawa, 2015}).

Modificación mediante hidrólisis

La modificación enzimática de los antimicrobianos es uno de los mecanismos más eficientes para inactivarlos y ha sido un problema desde la introducción de los B-lactámicos en 1940. Actualmente han sido reportadas cientos de enzimas capaces de degradar o modificar B-lactámicos, aminoglucósidos, fenicoles y macrólidos. El aumento en el número de antimicrobianos de la misma familia a los cuales se les han introducido modificaciones para hacerlos más efectivos, ha provocado que las enzimas capaces de degradarlos incrementen su espectro de acción y hoy en día, tenemos B-lactamasas de espectro extendido (ESBLs), enzimas capaces de romper B-lactámicos, que proporcionan resistencia a todos los antimicrobianos de esta familia, y que se encuentran comúnmente en aislados de K. pneumoniae, E. coli, P. aeruginosa y A. baumannii (^{Rossolini, D’Andrea & Mugnaioli, 2008}). En algunos casos el rápido aumento en la diseminación de bacterias resistentes a B-lactámicos se ha tratado de explicar con la capacidad de estos determinantes de transferirse a través de plásmidos. Sea cual sea la explicación, el fenómeno de resistencia a B-lactámicos se ha expandido muy rápido y hoy es uno de los principales retos en el desarrollo de nuevas estrategias antimicrobianas.

Modificación mediante la adición de grupos funcionales

La adición enzimática de grupos funcionales provoca resistencia debido a que disminuye la afinidad del antimicrobiano por su sitio blanco y las enzimas mejor estudiadas capaces de transferir estos grupos funcionales son las aminoglucósido transferasas (^{Smith & Baker. 2002}).

Los aminoglucósidos son particularmente susceptibles a la adición de grupos funcionales, debido a que su estructura cuenta con diversos grupos hidroxilo y amino expuestos. Existen tres clases diferentes de aminoglucósidos transferasas: las acil transferasas, fosfo transferasas y nucleotidil transferasas las cuales confieren altos niveles de resistencia y se encuentran ampliamente distribuidas (^{Serio, Keepers, Andrews & Krause, 2018}). Además, se han reportado dos enzimas pertenecientes a las aminoglucósido transferasas que son capaces de modificar a la ciprofloxacina (un antimicrobiano sintético de la familia de las quinolonas), la AAC-Ib-cr, que es capaz de adicionar un grupo acilo (^{Robicsek et al., 2006}) y CrpP, que es capaz de adicionar un grupo fosfato (^{Chávez-Jacobo et al., 2018}). Por lo que la visión hacia el futuro es muy preocupante, ya que la resistencia, que este grupo de enzimas proporcionaba y que parecía ser exclusiva para aminoglucósidos, se ha extendido hacia un grupo de antimicrobianos completamente diferente. Además, se ha reportado que CrpP, descubierto inicialmente en un plásmido de P. aeruginosa, se encuentra distribuido en E. coli y en K. pneumoniae (^{Chávez-Jacobo et al., 2019}).

Superbacterias ESKAPE

El término ESKAPE hace referencia a un grupo de seis bacterias responsables de la mayoría de las infecciones nosocomiales que son capaces de, relativamente, escapar de los efectos de los antimicrobianos. Dentro de este grupo se incluyen Enterococcus spp, Staphylococcus aureus , Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii , Pseudomonas aeruginosa y Enterobacter spp. (^{Rice, 2008}). Debido a la amplia distribución de infecciones causadas por este grupo de bacterias el Centro para el Control de Enfermedades de los Estados Unidos (CDC) ha emitido una alerta para incentivar la creación de nuevas estrategias para el tratamiento de infecciones causadas principalmente por las siguientes bacterias: S. aureus resistente a meticilina (MRSA), E. feacium resistente a vancomicina, P. aeruginosa resistente a fluoroquinolonas, Enterobacteriaceas productoras de B-lactamasas de espectro extendido (ESBL) y Acinetobacter baumannii resistente a carbapenémicos (^{Nakonieczna et al., 2019}).

Enterococcus spp. es un género de bacterias Gram (+), anaerobias facultativas, catalasa negativas y no esporuladas, que se pueden encontrar distribuidas extensamente en la naturaleza, tanto en suelo, agua y plantas, pero también formar parte de la flora normal del tracto entérico de humanos y animales (^{Fisher & Phillips, 2009}). Enterococcus feacium y Enterococcus feacalis son los principales patógenos de este grupo, asociados con una gran variedad de enfermedades como: infecciones de heridas, bacteremia, infecciones de vías urinarias, infecciones dentales, endocarditis, infecciones abdominales y sepsis neonatal (^{Fisher & Phillips, 2009}). Además, en Europa se han aislado Enterococcus resistentes a vancomicina, en carne (^{Messi, Guerrieri, Niederhaussern, Sabia & Bondi, 2006}) y en productos lácteos (^{Ogier & Serror. 2008}), lo cual convierte a estos alimentos contaminados en un gran riesgo sanitario.

Tradicionalmente, para las infecciones causadas por E. feacium se empleaban B-lactámicos o glucopéptidos; sin embargo, la resistencia para los primeros es casi total, por ejemplo, para ampicilina e imipenem tenía una prevalencia del 98.8% en Reino Unido en el 2006 (^{Brown et al., 2008}) y hoy en día se espera que la resistencia sea total, por lo que este grupo de antimicrobianos es completamente inútil en el tratamiento de infecciones causadas por esta bacteria. Para el caso de los glucopéptidos, específicamente vancomicina, existen al menos nueve determinantes de resistencia, vanA, B, C, D, E, G, L, M y vanN, siendo vanA el más distribuido alrededor del mundo y el más comúnmente asociado con la resistencia de E. feacium (^{Kang et al., 2014}).

Staphylococcus aureus es una bacteria Gram (+) con un crecimiento característico formando lo que se denomina “racimos de uvas”. Forma parte de la flora normal de la piel y se encuentra principalmente en el tracto nasal y en el perineo de los mamíferos (^{Appelbaum, 2007}). S. aureus cuenta con todo un arsenal de proteínas extracelulares que emplea durante la infección como factores de virulencia: hemolisinas, proteasas, hialuronidasas y colagenasas que le ayudan a la colonización y en la búsqueda de nutrientes (^{Boubaker et al., 2004}). Normalmente, las infecciones causadas por S. aureus eran tratadas con penicilina, sin embargo, el uso y abuso de este tratamiento ha causado que la resistencia se extienda, por lo que actualmente el 90% de los aislamientos clínicos de S. aureus son resistentes a la penicilina y aproximadamente el 60% de éstos son resistentes a la meticilina (MRSA), que era empleado como última opción (^{Sakoulas & Moellering, 2008}).

El tratamiento de primera línea para las infecciones causadas por bacterias MRSA es la vancomicina, sin embargo, una vez más, la fuerte presión selectiva causada por el extenso uso de este antimicrobiano ha causado la aparición de dos tipos de resistencia, intermedia y completa. S. aureus, con resistencia intermedia, ha evolucionado para generar una membrana poco permeable a la mayoría de los antimicrobianos, por lo que es virtualmente insensible a la mayoría de los tratamientos empleados, lo cual, sumado con los factores de virulencia, la convierte en una superbacteria que pone en riesgo a todas las personas, especialmente a las que tienen problemas inmunitarios (^{Vestergaard, Frees & Ingmer, 2019}). El primer reporte de resistencia intermedia fue emitido en Japón a mediados de los años 90 y se ha vuelto un problema de interés global, debido a la cada vez más frecuente aparición de cepas con resistencia intermedia en Asia, Europa y América (^{Chambers & DeLeo, 2009}). La resistencia completa es muy poco común y ha surgido debido a la transferencia de genes inter-especies con Enterococcus resistentes a la vancomicina, ya que se han identificado S. aureus con genes vanA (^{Gardete & Tomasz, 2014}).

Klebsiella pneumoniae es un miembro de la familia Enterobacteriaceae, donde también se agrupa Escherichia coli: es un bacilo Gram (-) y se considera una bacteria intrínsecamente virulenta debido a la presencia de adhesinas y de una cápsula que actúa como un factor antifagocítico (^{Clegg & Murphy, 2016}). Se considera un patógeno oportunista y se asocia comúnmente con infecciones de las vías urinarias y de las vías respiratorias. K. pneumoniae es notoria por la acumulación y rápida diseminación de múltiples determinantes de resistencia a los antimicrobianos: uno de los más importantes es la adquisición de una gran variedad de B-lactamasas, enzimas capaces de hidrolizar el anillo B-lactámico común en todas las penicilinas, cefalosporinas y carbapenémicos. Debido a que los carbapenémicos son los antimicrobianos de primera línea en el tratamiento de infecciones causadas por esta bacteria, las opciones de tratamiento son limitadas y en países como Estados Unidos, K. pneumoniae productora de carbapenemasas (KPC) ha sido el agente causal de infecciones a gran escala, debido principalmente a que el determinante de resistencia es capaz de transferirse entre diferentes especies y en Reino Unido es causante del 20% de las bacteriemias (^{Queenan & Bush. 2007}. ^{Livermore, Hope, Brick, Lillie & Reynolds, 2008}).

El panorama completo es aún más complicado, ya que, en el laboratorio, cepas altamente virulentas de K. pneumoniae son capaces de formar un biofilm, una matriz polimérica compuesta por polisacáridos y proteínas que le confieren protección contra elementos exógenos del medio, como los antimicrobianos (^{Clegg & Murphy, 2016}). En la naturaleza, son capaces de asociarse con otras especies bacterianas que comparten una distribución espacial similar: por ejemplo, se han reportado asociaciones con P. aeruginosa, Proteus mirabilis y Candida albicans, entre otros. Mientras que las interacciones que se llevan a cabo en estas comunidades complejas permanecen sin resolver, por el momento sólo se ha podido establecer el hecho de que lidiar con infecciones de esta naturaleza es sumamente complicado (^{Nakonieczna et al., 2019}).

Acinetobacter baumannii es un cocobacilo aeróbico, Gram (-), no presenta movilidad y no es capaz de fermentar glucosa. Se considera un patógeno oportunista y es el responsable del 2-10% de las infecciones hospitalarias causadas por bacterias Gram (-) y se asocia comúnmente con infecciones en la piel, bacteriemia, meningitis, neumonía e infección de heridas (^{Lee et al ., 2017}). A. baumannii puede ingresar fácilmente al cuerpo humano a través de heridas abiertas, catéteres intravasculares y ventiladores mecánicos, debido a su capacidad para crecer en un gran intervalo de temperaturas, pH y niveles de nutrientes, puede sobrevivir dentro del cuerpo humano, así como en diferentes vectores (^{Antunes, Visca & Towner, 2014}). Además, A. baumannii posee una citotoxina, que consiste en una proteína de membrana externa llamada Omp38, que es capaz de inducir la apoptosis de las células epiteliales humanas y se considera un factor de virulencia crucial para las primeras fases de la infección (^{Choi et al., 2005}).

Un fenómeno observado desde hace algunos años ha sido la asociación de infecciones causadas por A. baumannii en heridas producidas en zonas de conflictos armados; por ejemplo, en veteranos y soldados que estuvieron en Irak y Afganistán se detectaron 85 casos, donde el 35% de las cepas fueron susceptibles únicamente a una clase de antimicrobiano y el 4% fueron resistentes a todos los tratamientos estándar (^{Peleg, Seifert & Paterson, 2008}). Existen evidencias que indican que el efecto inmunosupresor de la morfina puede incrementar el riesgo de contraer una infección causada por esta bacteria: no obstante, es el tratamiento habitual después de sufrir una herida en combate (^{Breslow et al., 2011}).

La principal preocupación en el caso de A. baumannii ha sido la rápida aparición y propagación de cepas que contienen B-lactamasas de espectro extendido, ya que éstas muestran resistencia a colistina e imipenem. Además, la combinación con otros factores de -resistencia intrínsecos, como son la presencia de sistemas de expulsión, ha provocado que esta bacteria sea capaz de evadir la acción de la gran mayoría de los tratamientos estándar que consistían anteriormente en el uso de carbapenémicos, B-lactámicos y fluoroquinolonas (^{Lee et al., 2017}).

Pseudomonas aeruginosa es una bacteria Gram (-), anaerobia facultativa, que puede encontrarse en animales, plantas y suelo y ha sido reconocida como la bacteria patógena oportunista más asociada a infecciones hospitalarias en pacientes que utilizan ventiladores (^{Lupo, Haenni & Madec, 2018}). En personas sanas raramente puede llegar a afectar su salud, sin embargo, presenta una mortalidad alta en pacientes con fibrosis quística y en individuos inmuno-comprometidos (^{Pang, Raudonis, Glick, Lin & Cheng, 2019}). Esta bacteria presenta una resistencia intrínseca a múltiples antimicrobianos: especialmente puede desarrollar resistencia durante el tratamiento con imipenem, que anteriormente era el tratamiento de elección, mediante la sobreexpresión o la modificación del gen que codifica a la porina AmpC (^{Pang et al., 2019}). P. aeruginosa puede producir también B-lactamasas de espectro extendido y han surgido aislados capaces de resistir los efectos de las fluoroquinolonas, que llegaron a ser consideradas como la nueva esperanza en el tratamiento de infecciones causadas por esta bacteria, mediante la mutación de los genes que codifican los blancos de las fluoroquinolonas, la DNA girasa y la topoisomerasa IV, así como con el reciente reporte del determinante de resistencia CrpP codificado en un plásmido (^{Chávez-Jacobo et al., 2018}).

Durante las primeras etapas de la colonización, P. aeruginosa se adhiere a las células gracias a la presencia de flagelos y de un pili, que es un apéndice especial de naturaleza proteínica que además se emplea en la transferencia de material genético entre especies. Una vez que la adhesión es exitosa, P. aeruginosa comienza a secretar dos colorantes, que utiliza como sideróforos, moléculas especializadas en la quelación del hierro y como resultado las células hospederas entran en estado de privación de hierro, lo cual activa una vía de respuesta inmune innata, que en personas sanas acabaría rápidamente con la infección, pero que en personas inmuno-comprometidas su única opción es el uso de fármacos antimicrobianos (^{Nikaido, 2003}).

Enterobacter spp. un bacilo Gram (-), anaerobio facultativo que se puede encontrar encapsulado y se asocia comúnmente con infecciones de las vías urinarias y del tracto respiratorio, aunque también se encuentra en infecciones sanguíneas en pacientes inmuno-comprometidos (^{Mezzatesta, Gona & Stefani, 2012}). Enterobacter cloacae y Enterobacter aerogenes son las bacterias más representativas de este grupo y las más comúnmente asociadas con multirresistencia a antimicrobianos. Aunque se han reportado aislados resistentes a B-lactámicos y fluoroquinolonas, que eran la primera opción para tratar este tipo de infecciones, hasta el momento el empleo de colistina ha dado buenos resultados (^{Davin-Regli, Lavigne & Pagés, 2019}).

Fue en 1989 cuando se reportó el primer caso de infecciones hospitalarias debido a E. cloacae productora de B-lactamasas de espectro extendido (^{De Champs et al., 1989}). Actualmente, junto con E. coli y K. pneumoniae representan a las tres enterobacterias con mayor número de casos de resistencia a los antimicrobianos. La resistencia se encuentra ampliamente distribuida y para imipenem se reporta hasta el 0.4% (^{Lee et al., 2005}), para aminoglucósidos hasta el 51%, y para fluoroquinolonas del 64 al 100% (^{Corkill, Anson & Hart, 2005}), por lo que las opciones para el correcto tratamiento de infecciones causadas por Enterobacter sp son limitadas.