Antimicrobianos
Facultad de Medicina - U.N.N.E. Cátedra Microbiología, Parasitología e Inmunología (Área Microbiología e Inmunología) ANTIMICROBIANOS Introducción Desde fines del siglo XIX, se observó que ciertos microorganismos producían antagonismo vital o antibiosis, es decir, secretaban sustancias inhibidoras del desarrollo de otros microorganismos. Si bien desde la antigüedad se conocía la existencia de compuestos químicos para el tratamiento de ciertas enfermedades infecciosas, recién en este siglo se logró la síntesis de sustancias minerales como los mercuriales y arsenicales. A partir de 1928 con la observación casual de Alexandre Fleming sobre la inhibición del crecimiento de un estafilococo en una placa contaminada con un hongo, da lugar a que tiempo después se pudiera aislar del cultivo de ese hongo el primer antibiótico conocido, la penicilina. En la actualidad se conoce aproximadamente un centenar de compuestos para el tratamiento de enfermedades infecciosas y constantemente se estudian otros nuevos para contrarrestar la aparición de microorganismos resistentes.
Definiciones Quimioterápicos: sustancias de preparación sintética que actúan destruyendo o inhibiendo el crecimiento de microorganismos que han invadido el organismo de un individuo. Antibióticos: sustancias orgánicas sintetizadas por microorganismos que actúan inhibiendo el crecimiento de otros o destruyéndolos y que cumplen con las siguientes condiciones: 1. Especificidad: se pone de manifiesto en el espectro de acción del antibiótico, es decir, en el grupo determinado y limitado de microorganismos frente a los cuales el antibiótico actúa, condicionado por el sitio de acción de los mismos. 2. Elevada potencia biológica: el antibiótico debe ser efectivo a bajas concentraciones, lo que suele expresarse como concentración inhibitoria mínima (C.I.M.). 3. Toxicidad selectiva: su toxicidad para las células humanas debe ser mínima, lo que los diferencia de antisépticos y desinfectantes. Los avances científicos han acercado estas diferencias ya que en la actualidad la tendencia más correcta es la de aplicar el término de agente antimicrobiano a toda sustancia que cumple con los requisitos de especificidad, elevada potencia biológica y toxicidad selectiva, sean de origen biológico o sintético. Los antimicrobianos afectan selectivamente a los microorganismos debido a la gran diferencia que existe entre las estructuras existentes entre las bacterias y el ser humano.
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Clasificación de los agentes antimicrobianos A) Según su estructura química: • Betalactámicos: se caracterizan por presentar un anillo beta-lactámicos en su estructura (Figura 1). Pueden ser naturales o semisintéticos por el agregado de radicales en su molécula. Es la familia más numerosa de antimicrobianos e incluye: a) Penicilinas (penicilina G, Penicilina V, procaínica y benzatínica) b) Oxacilpenicilinas (oxacilina, meticilina, nafcilina, cloxacilina, dicloxacilina) c) Aminopenicilinas (ampicilina, amoxicilina) d) Antipseudomonas (ticarcilina, carbenicilina, piperacilina, azlocilina, mezlocilina) e) Carbapenemes (imipenem, meropenem) f) Monobactames (aztreonam) g) Cefalosporinas: se clasifican en generaciones en función de la cronología de su aparición, del espectro de acción y de su resistencia a la acción de enzimas inactivantes: ⇒ 1ra generación (cefalotina, cefadroxilo, cefalexina) ⇒ 2da generación (cefaclor, cefoxitina, cefuroxima) ⇒ 3ra generación (cefotaxima, ceftriaxona, cefoperazona, ceftazidima) ⇒ 4ta generación (cefepime, cefpirome)
Fig. 1: estructura básica de las penicilinas y cefalosporinas
•
Glucopéptidos (vancomicina, teicoplanina)
• Quinolonas a) Antiguas quinolonas (ácido nalidíxico, ácido pipemídico) b) Nuevas quinolonas (norfloxacina, ciprofloxacina, pefloxacina, ofloxacina) • Macrólidos (eritromicina, claritromicina, roxitromicina, azitromicina)
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• Aminoglucósidos (tobramicina, netilmicina, neomicina, gentamicina, amicacina, kanamicina, estreptomicina) • Tetraciclinas (tetraciclina, minociclina, doxiciclina) • Polimixinas (polimixina B, colistina) • Sulfamidas (sulfadiacina, sulfametoxazol, sulfisoxazol) • Lincosaminas (clindamicina, lincomicina) •
Antifúngicos ⇒ Anfotericina B ⇒ Nistatina ⇒ Griseofulvina ⇒ 5-fluorocitosina ⇒ Imidazoles (miconazol, fluconazol, ketoconazol)
• Nitroimidazólicos (metronidazol, ornidazol) • Nitrofuranos (nitrofurantoína y furazolidona) • Otros a) Cloramfenicol b) Trimetoprima c) Fosfomicina d) Rifampicina B) Según su efecto: • Bactericidas: son aquellos antimicrobianos cuyo efecto lleva indefectiblemente a la muerte bacteriana por inhibición de alguna actividad vital. P.e.: betalactámicos y aminoglucósidos. • Bacteriostáticos: son aquellos fármacos cuyo efecto sólo detiene la maquinaria de la bacteria sin matarla. Su efecto es reversible. P.e.: macrólidos, tetraciclinas, sulfamidas y cloramfenicol. C) Según su espectro: • Amplio espectro: son aquellos que actúan sobre una amplia variedad de especies bacterianas, ya sean grampositivas, gramnegativas, aerobias o anaerobias. • Espectro limitado: son aquellos que actúan sobre una franja más pequeña de bacterias, como ser sólo sobre las grampositivas o solo sobre las gramnegativas. • Espectro reducido: Son aquellas que actúan sobre algunas especies en particular y no sobre otras.
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D) Según su mecanismo de acción: • Afectando la síntesis de pared, pudiendo actuar en distintas etapas de las síntesis de la pared bacteriana (Figura 2): ◊ Inhibición de la síntesis de ácido N-acetilmurámico (NAM): fosfomicina ◊ Inhibición del acoplamiento de NAM y NAGA: Vancomicina y bacitracina ◊ Inhibición de la formación de puentes peptídicos, mediante la unión a las proteínas ligadoras de penicilina (PBP o PLP) que pueden actuar como transpeptidasas, peptidasas y carboxipeptidasas. Los betalactámicos poseen una analogía estructural con el sustrato de estas enzimas por lo que al unirse a ellas las inactivan: Debido a que estos antimicrobianos actúan sobre la síntesis de pared, sólo son activos sobre microorganismos en crecimiento y no en fase de latencia. Penicilinas y cefalosporinas.
NAG Fosfoenolpiruvato Fosfomicina NAMA
Aminoácidos NAMA-tripéptido
D-ala-D-ala D-alax2 L-ala Cicloserina Cicloserina NAMA-pentapéptido Lípido
NAG
(membrana) NAG-NAMA-pentapéptido-fosfolípido Bacitracina
aminoácido para el puente interpeptídico
Vancomicina Fosfolípido Betalactámicos Hebras de peptidoglicano entrecruzado Fig. 2: Mecanismo de acción de loas antimicrobianos que inhiben la síntesis de pared bacteriana.
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• Alteración de la permeabilidad de la membrana citoplasmática permitiendo la salida de cationes y macromoléculas vitales al exterior de la célula: Polimixinas, nistatina, anfotericina, imidazólicos (Figura 3).
Fig. 3: mecanismo de acción de las polimixinas a nivel de membrana citoplasmática.
• Afectando la síntesis de proteínas: pueden afectar diferentes etapas de la síntesis proteica (Figura 4): ◊ Al nivel de la transcripción (síntesis de ARN dependiente del ADN) inactivando selectivamente la ARN polimerasa dependiente de ADN: rifampicina. ◊ Al nivel de la traducción (síntesis de proteínas dependiente de ARN): aminoglucósidos (bloquean la actividad del complejo de iniciación con lo cual se detiene la síntesis proteica o alteran el codón del lugar A dando lugar a proteínas anómalas), tetraciclinas (bloquea la unión en el punto A), nitrofuranos (bloquean la iniciación de la traducción de enzimas inducibles), cloramfenicol y lincosaminas (impiden la transpeptidación), macrólidos y ácido fusídico (impiden la translocación). Cloramfenicol, lincosaminas y macrólidos poseen el mismo receptor en el ribosoma 50S, lo que causa la resistencia cruzada y la competición entre ellos. • Afectando la síntesis de ADN por acción a diferentes niveles: ◊ Inhibición de la Topoisomerasa I o ADN-girasa por unión a su subunidad A: quinolonas. ◊ Inhibición de la replicación del ADN por reemplazo de bases debido a su analogía estructural: griseofulvina y 5’fluorocitosina. •
A nivel del metabolismo intermedio por inhibición de las enzimas participantes (Figura 5): sulfonamidas (Bloquean la síntesis de tetrahidrofolato por analogía con el ácido paraaminobenzoico) y trimetoprima (bloquea la síntesis de tetrahidrofolato por analogía con el dihidrofolato)
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Fig. 4: Mecanismos de acción de los antimicrobianos al nivel de la síntesis de proteínas
Tipos de interacción entre antimicrobianos a) Sinergismo: el efecto de ambos agentes juntos es mayor que el de cada uno por separado. Suele ocurrir cuando los antimicrobianos actúan en etapas consecutivas de un mismo camino metabólico. En general la acción de dos bactericidas suele ser sinérgica, por ejemplo: betalactámicos más aminoglucósidos. b) Acción aditiva: el efecto de ambos fármacos es igual a la suma de las acciones de cada uno de ellos por separado. Suele ocurrir en la asociación entre dos agentes bacteriostáticos, por ejemplo: sulfamidas y cloramfenicol. Ácido p-aminobenzoico Sulfamidas
Dihidropteroato sintetasa
Dihidropteroato Dihidrofolato Dihidrofolato reductasa
Trimetoprima
Fig. 5: Acción de sulfamidas y trimetoprima sobre la vía metabólica de formación de ácido fólico y derivados.
Tetrahidrofolato
Ácidos nucleicos
c) Antagonismo: el efecto de ambos agentes juntos es menor al de cada uno por separado. Ocurre cuando los antimicrobianos comparten los receptores o en el caso en el cual el fármaco precisa que las bacterias crezcan para poder actuar (betalactámicos) administrado LAM- GPE
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junto con otro que posee actividad bacteriostática (sulfamidas). Debe evitarse esta asociación pues puede conducir a falla terapéutica. d) Indiferencia: el efecto de la droga más efectiva no aumenta ni disminuye al combinarse con la otra. La asociación de dos antibióticos se emplea principalmente en uno de estos casos: ⇒ Para obtener una acción más intensa sobre una bacteria determinada, en procesos infecciosos graves y en enfermedades comprometidas: sepsis o endocarditis. ⇒ Para evitar la selección de mutantes resistentes como en la tuberculosis mediante la asociación de estreptomicina con etambutol e isoniacida. ⇒ En el tratamiento de infecciones mixtas o polimicrobianas como sucede en las infecciones por aerobios y anaerobios en las que se debe asociar betalactámicos con metronidazol. ⇒ Para disminuir la dosis de un antibiótico muy tóxico por ejemplo anfotericina B más rifampicina en infecciones micóticas. ⇒ En caso de urgencia para efectuar una terapéutica de cobertura a ciegas en espera de conocer el agente causal y su sensibilidad. Resistencia a los antimicrobianos Se considera que un microorganismo es resistente a una droga cuando las concentraciones de ésta necesarias para inhibirlo son superiores a la concentración que puede alcanzarse en el sitio de la infección. a) Resistencia natural: es la que está codificada cromosómicamente y no varía de una bacteria a otra de la misma especie. Por ejemplo las enterobacterias son resistentes a la penicilina. b) Resistencia adquirida: es aquella que surge en determinado momento y no afecta a todos los miembros de la misma especie sino a algunos de ellos. Puede aparecer resistencia adquirida por: ◊ Mutaciones ◊ Incorporación de nuevos genes por intercambio genético: ∗ Conjugación ∗ Trasnformación ∗ Transducción La resistencia adquirida puede ser, a su vez: Resistencia cromosómica: sólo se transmite de célula madre a célula hija. Se manifiesta cuando se seleccionan las mutantes resistentes durante la administración de la droga selectora. Puede manifestarse en una sola generación microbiana (resistencia a estreptomicina) o en varias generaciones sucesivas (las bacterias se van haciendo progresivamente más resistentes como en el caso de Neisseria gonorrhoeae frente a penicilina). Resistencia extracromosómica (plasmídica): se transmite de bacteria madre a bacteria hija y además puede transferirse a otras bacterias de igual o diferente género por conjugación o por transducción.
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Mecanismos de resistencia a los antimicrobianos El mensaje genético que codifica la resistencia a los antimicrobianos determina, a nivel bioquímico, molecular o estructural, varios mecanismos que son los responsables en último lugar de que aquella se manifieste. Los más importantes son: 1. Inactivación por enzimas: las bacterias producen enzimas que alteran la estructura del antimicrobiano volviéndolos inactivos. Son ejemplos de drogas afectadas: betalactá-micos (betalactamasas cromosómicas o plasmídicas), aminoglucósidos (adenil, acetil y fosforiltransferasas), cloramfenicol (cloramfenicol-acetil-transferasa), lincosaminas (lincosaminadenilasa) (Figura 6). 2. Disminución de la permeabilidad de la membrana: ciertas mutaciones pueden conducir a alteración en la estructura de las porinas, cambios en la composición de lipopolisacáridos de la membrana externa o variaciones en el sistema de transporte de electrones que condicionan la disminución de la entrada del antimicrobiano a la bacteria. Los fármacos afectados por estos serían aminoglucósidos, tetraciclinas, betalactámicos.
Fig. 6: Acción de la betalactamasa sobre la penicilina
3. Bomba de eflujo: algunas bacterias pueden presentar en la membrana citoplasmática una proteína portadora que capta la droga que ingresa a la bacteria y que luego es transportada mediante una “proteína accesoria” al exterior de la bacteria a través de un canal porínico en la membrana externa. Este mecanismo de resistencia afecta a tetraciclinas, quinolonas, cloramfenicol, eritromicina y betalactámicos. 4. Alteración del sitio de acción de antimicrobiano: una mutación puede conducir a cambios en el lugar donde se une la droga con la consecuente pérdida del efecto de ésta. Este cambio puede darse en las proteínas ligadoras de penicilina o en los ribosomas. Las drogas afectadas por este mecanismo son: betalactámicos, aminoglucósidos, macrólidos. 5. Alteración de enzimas blanco: son modificaciones en la estructura de la enzima sobre la cual actúa el fármaco con la consiguiente pérdida de afinidad entre ambos. Se ven afectadas las sensibilidades a macrólidos, quinolonas, trimetoprima, sulfamidas, rifampicina. Estudio de susceptibilidad a los antimicrobianos Ante una enfermedad infecciosa, es preciso conocer la sensibilidad frente a los antimicrobianos del germen involucrado. Si bien algunas bacterias poseen sensibilidades o resistencias predecibles, en otras es necesario estudiar la susceptibilidad antibacteriana desde el laboratorio. Para ello se cuenta con diferentes metodologías.
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a) Técnicas cualitativas: antibiograma por difusión en agar o técnica de Kirby-Bauer, enfrentando a la bacteria con discos de papel impregnados con antibióticos y leyendo los halos de inhibición del crecimiento luego de 18 a 24 hs. de incubación (Figura 7).
Suspensión bacteriana
Fig. 7: Esquema de la técnica de antibiograma por difusión en agar
Placas de antibiograma
b) Técnicas cuantitativas: permiten determinar la mínima concentración del antimicrobiano que inhibe el desarrollo bacteriano (concentración inhibitoria mínima o CIM) o mata a la bacteria (concentración bactericida mínima o CBM). Se realiza enfrentando una suspensión bacteriana con diferentes concentraciones del antibiótico en caldo de cultivo. Luego de la incubación se observa la presencia o ausencia de turbidez lo que indica presencia o ausencia de inhibición del crecimiento. Se considera CIM a la mínima concentración de antimicrobiano en la cual no se observa turbidez. (Figura 8).
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Fig. 8.: Determinación de la concentración inhibitoria mínima (CIM)
La técnica de E-test ® (Fig.9) es una técnica cuantitativa que utiliza el método de difusión en agar. Tiras de plástico inerte incorporan un gradiente de concentración del antimicrobiano permitiendo cuantificar, mediante la lectura de un elipse de inhibición, las concentraciones inhibitorias mínimas (CIMs). Es una nueva alternativas menos engorrosas de realizar y con buena reproducibilidad.
Fig. 9.: E-test ®
c) Pruebas especiales: incluyen la detección de betalactamasas y estudio del poder bactericida del suero, entre otras. El poder bactericida del suero o PBS se estudia enfrentando el suero del paciente al cual se le ha administrado un antimicrobiano con la bacteria que está produciendo la infección. Para ello se toman dos muestras de suero del paciente (pico y valle del antibiótico), se realizan diluciones seriadas del suero del paciente y se enfrenta con la suspensión bacteriana. Luego de la incubación se resiembran en medio sólido las mezclas bacteria/antimicrobiano y se vuelve a incubar. Posteriormente se observa presencia o ausencia de desarrollo bacteriano. El PBS está determinado por la máxima dilución del suero del paciente que provoca la muerte de la bacteria en estudio. LAM- GPE
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