Rol de adhesinas en la formación y estabilidad de biofilm de organismos patógenos

CATTELAN, N; MARTINA, P; ARNAL, L; SERRA, DO; BOSCH, A

La Plata

Jornada; Segunda Reunión Intedisciplinaria sobre Biofilms de la Provincia de Buenos Aires; 2012

Comisión de Investigaciones Científicas de la Provincia de Buenos Aires

A finales del siglo XX los países desarrollados reportaban que las principales causas de mortalidad eran las enfermedades cardiovasculares y el cáncer en sus múltiples modalidades. Sin embargo, informes de los últimos años provenientes de Europa y Estados Unidos muestran claramente que las enfermedades infecciosas representan la segunda causa de mortandad (14,9 millones de muertes anuales), después de las enfermedades cardiovasculares (16,9 millones de muertes) y que causan el doble de muertes que el cáncer (7,1 millones de muertes) (datos de la Organización Mundial de la Salud, WHO) (1). Esta situación es consecuencia de que los agentes microbianos (bacterias, hongos), responsables de procesos infecciosos en el ser humano, han ido evolucionando a medida que las medidas higiénicas y técnicas médicas se han ido modificando. Enfermedades infecciosas agudas como difteria, tétanos, peste, cólera y tos convulsa, que representaban la principal causa de mortandad a principios del siglo XX, han sido en principio controladas, aunque no erradicadas, gracias a la acción de vacunas y antibióticos. En su lugar, más del 80% de las infecciones microbianas que afectan actualmente a pacientes en especial a los inmunocomprometidos, son producidas por organismos ubicuos, capaces de producir infecciones de tipo crónico, que responden pobremente a los tratamientos con antibióticos y que en general no pueden controlarse por inmunización (2-6). Ejemplos de estas infecciones son la otitis media, endocarditis de válvulas nativas, infecciones del tracto urinario, periodontitis, infecciones de próstata, osteomielitis, infecciones relacionadas con heridas, implantes y accesorios médicos, fibrosis quística y muchas otras. Observaciones microscópicas directas y técnicas recuperativas cuantitativas han establecido en forma inequívoca que en estos procesos la colonización microbiana tiene lugar mediante la adhesión y desarrollo de poblaciones celulares sobre una superficie, desarrollo conocido como biofilm (2, 3). Los biofilms consisten en estructuras tridimensionales donde las células (sésiles) se encuentran embebidas en matrices de sustancias poliméricas y adheridas a superficies inertes o tejidos vivos. Sorprendentemente, aunque la mayoría de los microorganismos viven asociados a superficies, la comunidad científica sólo recientemente ha dirigido la atención a esta forma de vida. En las últimas décadas, a pesar de los permanentes avances en los procedimientos de diagnóstico y de prevención de infecciones, pocos compuestos químicos han sido descriptos con propiedades anti-biofilm (6). Por lo tanto existe una urgente necesidad por desarrollar agentes que permitan efectivamente controlar y eliminar este tipo de poblaciones. Para poder impedir el desarrollo de un biofilm es fundamental entender como una bacteria patógena interacciona con su hospedador para producir una enfermedad. Este conocimiento constituye una etapa fundamental para diagramar una adecuada estrategia de control. En el mundo microbiano la existencia de comunidades multicelulares estructuradas asociadas a superficies es hoy una regla más que una excepción. Se reconoce desde hace algunas décadas que el principio de organización microbiana sobre superficies parece haber sido universalmente explotado por los microorganismos durante el curso de la evolución. Actualmente, la mayoría de los organismos parece capaz de formar películas sobre algún tipo de superficie. Desde el punto de vista molecular es importante entonces dilucidar los mecanismos por los cuales los microbios construyen esas comunidades. Los estudios sobre biofilm microbianos constituyen a nivel mundial una línea de investigación en constante desarrollo. Desde los primeros trabajos del grupo del Prof. Dr. William Costerton en el Center for Biofilm Engineering, Montana, USA, hace más de 25 años, el número de publicaciones se ha incrementado de manera sorprendente. Los microbiólogos, biólogos moleculares, médicos, odontólogos, ingenieros químicos, con distintas necesidades han comprendido la importancia de estudiar este tipo de crecimiento microbiano en el cual se pasa del concepto de bacteria como organismo individual al concepto de ?sociomicrobiología? o estudio del comportamiento microbiano en sociedad, ya sea integrada ésta por un solo tipo de población o por más de un tipo (cultivos mixtos) (7). La formación de un biofilm transcurre como resultado de una secuencia de etapas: adhesión a una superficie, proliferación celular y formación de microcolonias, producción de la matriz extracelular, maduración del biofilm y finalmente el desprendimiento de células para colonizar otro nicho (8). La construcción de esta estructura puede ser parcialmente controlada por un sistema de señales denominado ?quorum sensing?, un mecanismo de comunicación inter-bacteriano que es dependiente de la densidad de la población y que está asociado con cambios en la expresión del perfil de proteínas (9-1). A partir de 1987 se describe un segundo mensajero, la molécula GMP-dicíclico, que estaría implicado en la regulación de procesos asociados con la formación del biofilm y el comportamiento en comunidad de distintas bacterias (12-14). Los biofilms maduros muestran una compleja estructura tridimensional con numerosos micro-ambientes que difieren entre si respecto a osmolaridad, concentración de nutrientes incluído el oxígeno, pH y densidad celular. Esta heterogeneidad produce una variedad de fenotipos dentro de un biofilm individual, lo cual descarta el concepto de un único ?fenotipo biofilm?. Una característica substancial de los biofilms es por lo tanto, la heterogeneidad tanto espacial como temporal. Aunque un biofilm esté formado a partir de un solo tipo de células genéticamente iguales, ellos están formados por subpoblaciones de distintos fenotipos. La existencia de los gradientes mencionados a través del biofilm crea microambientes a los cuales las células responden adaptando su respuesta mediante cambios en su expresión genética. El uso de microelectrodos ha permitido por caso comprobar como se modifica la disponibilidad de oxígeno en biofilms de Pseudomoanas aeruginosa desde la capa externa en contacto con el medio líquido hasta la base del biofilm. Como consecuencia de estos gradientes de concentración aproximadamente un 10% del volumen de un biofilm se asocia con regiones metabólicamente inactivas ubicadas en la base del mismo (15). Determinar cómo la expresión de genes difiere puntualmente en un biofilm maduro respecto de células planctónicas, ha llegado a ser un foco clave de investigación clínica en la última década (16, 17). Estudiar a nivel de laboratorio un biofilm impone en consecuencia la necesidad de disponer de adecuadas estrategias de investigación, que tengan en cuenta la heterogeneidad de la estructura química tanto a nivel de matriz como celular.