Pseudomonas aeruginosa es un patógeno oportunista que puede causar infecciones agudas y crónicas. Responsable de muchas infecciones nosocomiales, también representa una gran preocupación para las personas con fibrosis quística, cuyos pulmones se obstruyen con una mucosidad espesa que favorece su crecimiento.
P. aeruginosa también prolifera en biopelículas, donde las bacterias se rodean de una matriz elástica que ellas mismas forman y que las protege. Los tratamientos suelen fracasar debido a la resistencia a los antibióticos, pero la tolerancia permite que las bacterias sobrevivan a la exposición a estos sin presentar las alteraciones genéticas que definen la resistencia.
Un equipo liderado por Alexandre Persat en la EPFL ha demostrado que el confinamiento en sí mismo puede aumentar la tolerancia de la bacteria P. aeruginosa a los antibióticos. El estudio, publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences, revela que, al crecer en materiales elásticos y ajustados, las bacterias se ven sometidas a una presión que modifica su fisiología y les ayuda a sobrevivir a diversos tratamientos antibióticos.
Construyendo una compresión controlada
Para aislar el efecto de la presión física, los investigadores cultivaron células individuales de P. aeruginosa dentro de geles sintéticos ricos en agua que permiten el paso de nutrientes y moléculas pequeñas, a la vez que ejercen presión a medida que crecen los cúmulos bacterianos. Al modificar la rigidez del gel, el equipo pudo controlar la fuerza de resistencia que ejercía el material a medida que se expandían los cúmulos bacterianos, un sistema que permitió separar la mecánica de la química.
Posteriormente, los investigadores comprobaron que los geles no bloqueaban el movimiento del antibiótico. Las pruebas de fluorescencia demostraron que las moléculas pequeñas y un antibiótico similar a la colistina alcanzaban rápidamente los cúmulos bacterianos. Esto significaba que cualquier cambio en la supervivencia no podía explicarse simplemente por una escasa penetración del fármaco.
Entorno más rígido, mayor supervivencia
El equipo probó primero la colistina, un antibiótico de último recurso utilizado contra algunas infecciones difíciles de tratar. Las bacterias que crecían confinadas sobrevivieron mejor a la colistina que las que crecían libremente en un cultivo líquido. Con una dosis probada, las células confinadas mostraron una disminución de la supervivencia de aproximadamente 10 veces, mientras que las células de vida libre mostraron una disminución de aproximadamente 1000 veces.
Posteriormente, los científicos investigaron si la rigidez del gel también afectaba la supervivencia bacteriana. Descubrieron que las bacterias en hidrogeles más rígidos, que generaban una mayor presión inducida por el crecimiento, sobrevivían mejor que las bacterias en geles más blandos. Con una dosis más alta de colistina, los cúmulos en geles rígidos sobrevivieron aproximadamente 10 veces mejor que los cúmulos en geles blandos. Las imágenes también mostraron una mayor cantidad de células vivas en condiciones de rigidez.
El mismo patrón se observó más allá de una cepa de laboratorio. El confinamiento aumentó la tolerancia a la colistina en otra cepa de laboratorio y en dos aislados clínicos de personas con fibrosis quística. El equipo también probó los antibióticos tobramicina, ciprofloxacino y meropenem. En todos los casos, las bacterias confinadas sobrevivieron mejor que las bacterias de vida libre, con una mayor protección en geles más rígidos.
Más que un crecimiento más lento
El confinamiento físico no solo comprime las bacterias, sino que también ralentiza su crecimiento. Las células en geles más rígidos formaron cúmulos más pequeños y se acortaron. Es probable que este crecimiento más lento explique parte del efecto, especialmente en el caso de los antibióticos cuya actividad depende del crecimiento bacteriano.
Pero cuando los investigadores liberaron las bacterias de los geles, las células reanudaron rápidamente su crecimiento normal. Sin embargo, incluso después de ser liberadas del confinamiento, las bacterias siguieron siendo menos sensibles a los antibióticos, lo que sugiere que los efectos de la presión mecánica pueden persistir más allá del estado de confinamiento.
Para identificar los mecanismos, el equipo utilizó la secuenciación de transposones, un método de análisis genético que permite determinar qué genes son relevantes en condiciones específicas. El análisis señaló genes implicados en la envoltura celular bacteriana, la remodelación de la membrana, el transporte de iones y las respuestas al estrés.
El estudio demuestra que el entorno físico de una infección puede influir en la eficacia de los antibióticos. Esto no significa que la presión por sí sola explique el fracaso del tratamiento. Los focos de infección también involucran respuestas inmunitarias, cambios en los nutrientes, mucosidad, estructura tisular y biopelículas. Sin embargo, el estudio añade la mecánica a la lista de factores que determinan la supervivencia bacteriana.
Para los pacientes, el valor a largo plazo reside en una mejor comprensión de las infecciones persistentes. Para los investigadores y clínicos, sugiere nuevas dianas terapéuticas: no solo los genes o el metabolismo de las bacterias, sino también cómo interactúan con los materiales que las rodean. Asimismo, podría orientar el diseño de biomateriales que resistan la colonización bacteriana o que faciliten la eliminación de las bacterias.
Fuente: Phys.org.