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Teixobactine, a new antibiotic that would hardly produce resistance

Title in Spanish: Teixobactina, un nuevo antibi—tico que dif’cilmente podr’a originar resistencias

Carmen Avenda–o1

1AcadŽmica de Nœmero de la Real Academia Nacional de Farmacia, Madrid

*Corresponding Author: avendano@farm.ucm.es     An Real Acad Farm Vol. 81, N¼ 1 (2015), pp. 4-10

Received:  February 26, 2015  Accepted: Mars 3, 2015           Language of Manuscript: Spanish

 



1. INTRODUCCIîN

Desde que en los a–os 1940 se introdujo la penicilina en la pr‡ctica cl’nica, los antibi—ticos han salvado la vida de millones de seres humanos, pero en los œltimos tiempos el arsenal contra los microorganismos pat—genos se ha estancado. La dificultad de encontrar antibi—ticos que penetren la pared bacteriana y la falta de interŽs de la industria farmacŽutica debida a la impredecible aparici—n de resistencias, son algunos de los motivos que pueden justificar este estancamiento. Otro es que los microbi—logos no han detectado nuevos antibi—ticos naturales debido a que el nœmero de especies que se pueden cultivar en laboratorio representa un peque–o porcentaje de todas las que se pueden encontrar en el suelo, el caladero en que habitualmente se han encontrado aquŽllos, y que los antibi—ticos sintŽticos no han sido capaces de sustituir a los naturales (2). La mayor’a de los antibi—ticos utilizados en terapŽutica son productos naturales que proceden de diferentes especies de hongos y bacterias, especialmente del grupo de los actinomicetos, que en su mayor’a se encuentran en la tierra, y se han aislado por cribado de estos microorganismos una vez cultivados.

2. BREVE COMENTARIO SOBRE LAS RESISTENCIAS A LOS ANTIBIîTICOS

El problema de las resistencias a los antibi—ticos es antiguo. Ya en 1955, el 13% de las infecciones por Staphylococcus aureus eran insensibles al tratamiento con penicilina, una cifra que ascendi— hasta el 91% en 1988. Esta bacteria es la causante de la mayor’a de las infecciones debidas a estafilococos, pudiendo originar neumon’a, meningitis, shock t—xico, infecciones de las v‡lvulas cardiacas, conjuntivitis, abcesos cut‡neos, etc. Muchas cepas de S. aureus son ahora resistentes tambiŽn a otros antibi—ticos como oxacillina y amoxicilina, y han comenzado a desarrollar resistencias a meticilina (methicillin resistant Staphylococcus aureus, MRSA) y vancomicina, antibi—ticos que en otros tiempos se consideraban como Òœltimo recursoÓ para las infecciones m‡s serias. En EEUU se ha estimado que casi 2 millones de personas adquieren cada a–o alguna infecci—n hospitalaria, y que un 70% de estas infecciones son insensibles al menos a uno de los antibi—ticos utilizados habitualmente. Un estudio bastante reciente ha se–alado que en 2011 murieron durante su hospitalizaci—n m‡s 11.000 personas con infecciones MRSA (3). F

El creciente problema de la aparici—n de bacterias resistentes a antibi—ticos ha comprometido su eficacia. Sin embargo, en 1967 se pensaba que los antibi—ticos, junto a otros agentes quimioter‡picos, pod’an eliminar cualquier microorganismo pat—geno y se declar— oficialmente que el problema de las infecciones hab’a terminado. Esta visi—n optimista menospreci— la incre’ble capacidad que tienen las bacterias para intercambiar su material genŽtico y adaptarse a situaciones adversas por selecci—n natural, y que las mutaciones que originan resistencias a los antibi—ticos pueden transferirse a las sucesivas generaciones en los procesos de reproducci—n bacteriana (4).

Adem‡s de su importancia cl’nica, los antibi—ticos son uno de los grupos farmacol—gicos m‡s utilizados en la terapŽutica, profilaxis y promoci—n del crecimiento de animales destinados al consumo humano, lo que ha contribuido a la selecci—n de poblaciones microbianas  resistentes. La European Federation of Animal Health Industries (FEDESA) estim— en 1997 que en la UE se consum’an anualmente unas 10.500 toneladas de antibi—ticos, de las que el 52% eran para uso humano (ambulatorio y hospitalario), un 33% se destinaba al uso terapŽutico en animales, y un 15% eran aditivos de piensos utilizados como promotores del crecimiento (5). Como los antibi—ticos se eliminan en general antes de que sean metabolizados, se excretan al medio ambiente en cantidades masivas y continœan actuando sobre las bacterias presentes en las aguas fecales, cuyas cepas resistentes pueden pasar a frutas y vegetales y despuŽs al hombre y animales. Estas son las razones por las que la Uni—n Europea ha prohibido el uso de los antibi—ticos para fomentar el crecimiento de los animales (6), y la FDA y la EMA vienen produciendo peri—dicamente diversos documentos dirigidos al uso juicioso de los mismos para minimizar la aparici—n de microorganismos resistentes. Dentro de un ciclo de 5 conferencias organizado por el Instituto de Espa–a que dictŽ del 9 al 13 de diciembre de 2002, me refer’ en dos de ellas a este problema (7).

La Organizaci—n Mundial de la Salud (OMS), en un informe presentado en abril del a–o pasado, advert’a de que el problema de la resistencia microbiana es tan grave que pone en peligro los logros de la medicina moderna. Cada vez se producen m‡s infecciones causadas por gŽrmenes que se han hecho resistentes a los tratamientos habituales, y hoy sabemos que el desarrollo de resistencias para cada nuevo antibacteriano que se introduce en el mercado es s—lo cuesti—n de tiempo. La selecci—n de bacterias resistentes se traduce en un fracaso terapŽutico tanto en personas como en animales, y los problemas sanitarios que origina son a veces irreparables. No menos importantes son los cambios que producen los antibi—ticos no absorbibles y los de amplio espectro administrados oralmente en la flora intestinal. Se considera que en la flora intestinal de la especie humana hay m‡s de 200 especies diferentes de bacterias en un dif’cil equilibrio, y su modificaci—n puede provocar graves consecuencias de car‡cter patol—gico debido a que muchas de estas especies participan en el metabolismo y la producci—n de distintas sustancias, afectando a la morfolog’a de la mucosa intestinal y al sistema linfoide asociado y constituyendo una defensa contra  la implantaci—n de bacterias ex—genas que se denomina Òefecto barreraÓ.

Las bacterias resistentes a antibi—ticos causan buena parte de las 4,1 millones de infecciones hospitalarias que se registran en Europa cada a–o y alargan las estancias hospitalarias, pudiendo llegar a ocasionar la muerte de hasta la mitad de los infectados en los casos m‡s virulentos (se estima que originan unas 25.000 muertes al a–o y generan unos costes sanitarios de 1.500 millones de euros). Las infecciones por bacterias resistentes a los antibi—ticos de œltimo recurso est‡n creciendo tambiŽn en Espa–a, segœn un informe elaborado en 2013 por el Centro Europeo de Control de las Enfermedades (ECDC) tras recabar informaci—n en 39 pa’ses europeos. Actualmente, la Uni—n Europea est‡ financiando un proyecto de bœsqueda de antibi—ticos m‡s efectivos con tŽcnicas que combinan la qu’mica, la biolog’a y la computaci—n.

3. ANTIBIîTICOS Β-LACTçMICOS Y VANCOMICINA. MECANISMOS RESPONSABLES DE SU ACCIîN Y DE LA APARICIîN DE RESITENCIAS

Dentro de los antibi—ticos de origen natural destacan dos importantes mecanismos de acci—n: la inhibici—n de la s’ntesis de la pared bacteriana y la inhibici—n de la s’ntesis de prote’nas (8). Comentaremos brevemente el primero de estos mecanismos. El pŽptidoglicano es un componente esencial de la pared bacteriana que determina su rigidez y resistencia frente a las diferencias de presi—n osm—tica. Se trata de un polisac‡rido en el que se alternan unidos mediante enlaces a-1,4 mon—meros de N-acetilglucosamina y ‡cido N-acetilmur‡mico, este œltimo enlazado a una cadena pentapept’dica. Este disac‡rido-pŽptido se une posteriormente a un transportador lip’dico y se trasloca dentro del periplasma bacteriano para que varias enzimas completen su polimerizaci—n y se realice la transpeptidaci—n catalizada por enzimas denominadas transpeptidasass. En esta reacci—n se origina un enlace cruzado entre el resto D-Ala penœltimo del pentapŽptido y un amino‡cido b‡sico de otra cadena (L-Lys en la Figura 1) con eliminaci—n del residuo D-Ala terminal. Esta malla porosa permite el paso de nutrientes desde el exterior y de enzimas catal’ticas y productos de secreci—n hacia el exterior celular. Muchos antibi—ticos naturales tienen como diana enzimas o sustratos implicados en su bios’ntesis.


Figura 1. Etapas finales en la bios’ntesis del pŽptidoglicano.


Entre los inhibidores de este proceso biosintŽtico, los m‡s representativos son los antibi—ticos a-lact‡micos y la vancomicina. Los primeros actœan inhibiendo las transpeptidasas, y constituyen un conjunto de productos naturales, semisintŽticos o totalmente sintŽticos en el que se incluyen las penicilinas, cefalosporinas, carbapenemas y monobactamas. Durante dŽcadas se ha tratado de mejorar su espectro de acci—n y contrarrestar las resistencias, sobre todo en pat—genos Gram positivos como los estafilococos meticilina-resistentes, enterococos ampicilina-resistentes y pneumococos penicilina-resistentes. El ciclo de -lactama, por su semejanza con los residuos D-Ala-D-Ala, actœa como falso sustrato de las transpeptidasas (tambiŽn llamadas  Òpenicillin binding proteinsÓ o PBPs), y su apertura por ataque nucle—filo de un residuo de serina situado en el sitio activo de Žstas origina su inactivaci—n debido a que los derivados de tipo Žster as’ formados se hidrolizan muy lentamente (ver el mecanismo de este proceso para las penicilinas en la Figura 2). Las bacterias se protegen de estos f‡rmacos expresando -lactamasas, unas peptidasas similares a las PBPs que, una vez aciladas, se hidrolizan r‡pidamente, lo que conduce a que el antibi—tico se inactive (9). Esta semejanza explica que sea dif’cil dise–ar antibi—ticos -lact‡mcos poco sensibles a -lactamasas que se enlacen eficazmente a PBPs. Ciertos microorganismos, como Streptococcus pneumoniae, no biosintetizan -lactamasas, pero se hacen resistentes modificando sus PBPs por mutaciones en varios amino‡cidos, lo que les confiere menor afinidad por casi todas las -lactamas. S. aureus se hace resistente a meticilina codificando un tipo de PBP de gran peso molecular (PBP2Õ) con poca afinidad por este antibi—tico.

La vancomicina, descubierta en 1955, es un glicopŽptido soluble producido por una cepa de Amycolatopsis orientalis (Nocardia orientalis) que desarroll— la empresa Lilly como alternativa terapŽutica a la r‡pida difusi—n de resistencias a los antibi—ticos -lact‡micos, como ocurre en cepas de S. Aureous resistentes a meticilina (SARM) y en E. faecalis (que produce con frecuencia infecciones en pacientes tratados con di‡lisis o con quimioterapia). Vancomicina se enlaza mediante cinco enlaces de hidr—geno al extremo D-Ala-D-Ala de la cadena polipept’dica anteriormente mencionada, impidiendo que Žsta sea reconocida por las transpeptidasas (Figura 3) (10).

Figura 2. Inactivaci—n de transpeptidasas de pŽptidoglicano por penicilinas.

Figura 3. Interacci—n de vancomicina con la cadena D-Ala-D-Ala del precursor de pŽptidogicano que reconocen las transpeptidasas.

La aparici—n en los a–os 80 de infecciones severas originadas por Staphylococcus aureus resistentes a meticilina (MRSA) y el aumento en el nœmero de pacientes susceptibles de presentar infecciones por microorganismos Gram positivos, convirtieron a la vancomicina en el antibi—tico de primera elecci—n para su tratamiento, pero en 1986 se aislaron las primeras cepas de Enterococcus faecium resistentes a vancomicina (VRE) (11) y desde entonces la incidencia de VRE se est‡ extendiendo en el medio hospitalario, sobre todo en casos de inmunodeficiencia por SIDA, quimioterapia y estados postoperatorios.

Las bacterias se hacen resistentes a vancomicina reemplazando la porci—n D-Ala-D-Ala por D-Ala-D-lactato, de forma que el antibi—tico s—lo puede enlazarse con 4 enlaces de hidr—geno (no existe el grupo NH del residuo D-Ala terminal). Esta mutaci—n se realiza por activaci—n de los genes que codifican una a-cetorreductasa que convierte el piruvato en D-lactato, as’ como de una ligasa dependiente de ATP que cataliza la uni—n de D-lactato a D-alanina. El complejo formado entre la vancomicina y la porci—n D-Ala-D-lactato es unas 3 veces m‡s dŽbil que el formado con D-Ala-D-Ala, y al romperse f‡cilmente se pierde la actividad antibacteriana. La resistencia a vancomicina tambiŽn puede producirse por sobreexpresi—n de una D-Ala-D-Ala dipeptidasa dependiente de Zn2+ que hidroliza selectivamente este dipŽptido, permitiendo que se acumule D-Ala-D-lactato y se incorpore al pŽptidoglicano.

La oxazolidinona linezolida (Zyvox¨) es un antibi—tico sintŽtico inhibidor de la s’ntesis proteica que se comercializ— en el a–o 2000 para tratar VRE (12).

4. DESCUBRIMIENTO DEL NUEVO ANTIBIîTICO TEIXOBACTINA

Se estima que alrededor del 99% de las especies bacterianas que habitan fuera de los seres vivos son una fuente de antibi—ticos que no se ha explotado todav’a porque estas bacterias no han podido cultivarse, y esta idea ha incentivado el desarrollo de mŽtodos para conseguirlo. Con este objetivo, la compa–’a biotecnol—gica estadounidense NovoBiotic Pharmaceuticals, desarroll— unas membranas semipermeables para construir c‡maras de difusi—n que restringen el movimiento de las cŽlulas pero permiten por difusi—n el libre intercambio con el medio externo de compuestos (13) as’ como la inclusi—n de factores de crecimiento naturales, por ejemplo los sider—foros quelantes de hierro, un metal necesario para muchos procesos biol—gicos de tipo oxidativo (14). Si los cultivos se realizaban en una placa Petri se obten’a un 1% de las cŽlulas que contiene una muestra de suelo, mientras que el uso de estas membranas semipermeables permite obtener aproximadamente un 50% (15). Tras desarrollar un chip de aislamiento que dispone de varios cientos de c‡maras de difusi—n en miniatura para inocular en cada una de ellas una œnica cŽlula (isolation chip, ichip) (16), un equipo de investigadores de las universidades de Northeastern y Harvard en Boston encontr— el antibi—tico pept’dico lasomicina, que tiene como diana a la proteasa ClpC1P1P2 dependiente de ATP y posee actividad bactericida frente a todas las formas de M. tuberculosis, incluidas las resistentes (17).

En esta publicaci—n que comentamos, se han unido dos grupos de las universidades de Northeastern y de Bonn para analizar la actividad antimicrobiana frente a Staphylococcus aureus de unas 10.000 cepas de bacterias procedentes de muestras de suelos, observando que el extracto de una nueva proteobacteria denominada de forma provisional Eleftheria tŽrrea, mostraba una buena actividad. La secuenciaci—n de su genoma permiti— clasificarla dentro de un nuevo gŽnero relacionado con las Aquabacteria, un grupo de microorganismos Gram-negativos de los que hasta el momento no se conoc’a su capacidad para producir antibi—ticos. En una fracci—n parcialmente purificada de sus cultivos se encontr— un compuesto con una masa de 1.242 Da que no aparec’a en las bases de datos disponibles. Una vez aislado, se determin— su estructura y estereoqu’mica y se denomin— teixobactina. Es un depsipŽptido (con estructura mixta de pŽptido y Žster) que contiene cuatro D-amino‡cidos, N-metilfenilalanina, y el amino‡cido enduracididina (Figura 4) (18).

Figura 4. Estructura de teixobactina.

5. ACTIVIDAD BACTERICIDA DE TEIXIBACTINA

Las bacterias Gram negativas, por tener una doble membrana, son impermeables a grandes molŽculas y son m‡s dif’ciles de atacar que las Gram positivas. La teixobactina mostr— una excelente actividad frente a varios microorganismos pat—genos Gram-positivos, incluidas sus cepas resistentes, y sus dianas son precursores de pŽptidogicano y de ‡cidos teicoicos de la pared celular, f‡cilmente accesibles para el antibi—tico.

La concentraci—n m’nima inhibitoria (MIC) de teixobactina frente a la mayor’a de las especies ensayadas, incluyendo enterococos y M. tuberculosis, fue menor de 1 mg ml-1, siendo excepcionalmente activa frente a Clostridium difficile (causante de diarreas), y Bacillus anthracis (que provoca el ‡ntrax), con MIC de 5 y 20 ng ml-1, respectivamente. Su actividad frente a S. aureus fue superior a la de vancomicina, manteniendo la actividad bactericida frente cepas de resistencia intermedia. Aunque no fue activa frente a bacterias Gram negativas, s’ lo fue frente a la cepa asmB1 de E. coli, que carece de la membrana m‡s externa, y no fue t—xica para las cŽlulas de mam’fero NJH/3T3 y HepG2 a 100 mg ml-1, que fue la mayor dosis ensayada. Por otra parte, tras su uso repetido, no se hallaron mutantes de S. aureus o M. tuberculosis.

6. MECANISMO DE ACCIîN DE TEIXOBACTINA

Pronto se observ— que la teixobactina inhibe algœn paso en la s’ntesis de pŽptidoglicano sin afectar a la s’ntesis de ADN, ARN o prote’nas y, de forma similar a la vancomicina, el tratmiento de S. aureus con teixobactina a dosis entre una a cinco veces superiores a la MIC produjo la acumulaci—n de undecaprenil-N-acetilmur‡mico pentapŽptido. Otros experimentos pusieron de manifiesto que teixobactina no actœa como inhibidor enzim‡tico, sino que interacciona con el grupo pirofosfato y el primer resto de azœcar presentes en precursores poliprenilados de la pared bacteriana. De hecho, origin— complejos estables con los l’pidos I y II (Figura 5) que pudieron analizarse.

Figura 5. Estructura del l’pido II.

TambiŽn se enlaz— eficazmente a undecaprenilpirofosfato de N-acetilglucosamina (l’pido III, Figura 6), que es precursor del ‡cido teicoico de la pared.

Figura 6. Estructura del l’pido III.

Los ‡cidos teicoicos son grandes pol’meros de tipo fosfodiŽster formados por ribitol y glicerol fundamentalmente, enlazados covalentemente a travŽs de un grupo fosfato al pŽptidoglicano (Figuras 7 y 8).

 

Figura 7. Estructura representativa de un ‡cido teicoico.

Figura 8. Estructura representativa de un ‡cido teicoico enlazado a pŽptidoglicano.

Aunque el ‡cido teicoico de la pared no es esencial per se para la vida de las bacterias (19), la inhibici—n de los œltimos pasos de su bios’ntesis es letal porque produce la acumulaci—n de compuestos t—xicos. Adem‡s, dado que los ‡cido teicoicos se enlazan a autolisinas evitando as’ la hidr—lisis incontrolada del pŽptidoglicano (20), la inhibici—n de su bios’ntesis provocada por teixobactina puede ayudar a liberar autolisinas y contribuir a la lisis bacteriana. Teixobactina podr’a enlazarse tambiŽn a intermedios de la bios’ntesis de polisac‡ridos de la c‡psula bacteriana de tipo prenil-PP-azœcar, que son importantes para la virulencia de estafilococos y estreptococos (21).

7. ACTIVIDAD IN VIVO Y EXPECTATIVAS

Los estudios in vivo se ralizaron en un modelo de rat—n con septicemia originada por S. aureus resistente a meticilina. Los valores PD50 (dosis protectora a la que sobreviven la mitad de los animales) fue de 0.2 mg/kg, un valor menor que el de vancomicina (2.75 mg/Kg) que, como ya se ha dicho, es el principal antibi—tico utilizado para el tratamiento de bacterias MRSA. La teixobactina fue tambiŽn eficaz en ratones infectados con Streptococcus pneumoniae.

El desarrollo de resistencias frente a teixobactina parece en principio poco probable porque su mecanismo de acci—n en la pared bacteriana es semejante semejante al de vancomicina, y las bacterias tardaron unos treinta a–os en desarrollar resistencia frente a ella. El periodo de tiempo antes de la aparici—n de resistencias podr’a ser aœn mayor en la teixobactina, ya que sus dianas son m‡s variadas.

A pesar de la euforia que ha producido esta noticia y su gran repercusi—n medi‡tica (22), hay que tener en cuenta que el desarrollo de teixobactina requiere muchos m‡s estudios y ensayos cl’nicos para evaluar su toxicidad y eficacia en humanos, lo que requerir‡ en el mejor de los casos que transcurran unos cinco a–os. Adem‡s, como ya se ha mencionado, tiene la limitaci—n de muchos otos antibi—ticos: no ser activo frente a bacterias Gram negativas.

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22. Ver por ejemplo: a) First new antibiotic in 30 years discovered in major breakthrough The Thelegraph 7 de enero de 2015 b) El primero de una nueva clase de antibi—ticos ABCsalud 7 de enero de 2015 c) Un nuevo y potente antibi—tico 7 de enero de 2015 d) Gallagher J BBC 7 de enero de 2015 Grady D Antibiotics: US discovery labelled 'game-changer' for medicinehttp://www.nytimes.com/2015/01/08/health/from-a-pile-of-dirt-hope-for-a-powerful-new-antibiotic.html http://wwwnytimescom The New York Times 7 de enero de 2015.