La importancia de las bombas de eflujo en la resistencia bacteriana a los antibióticos

Las bombas de eflujo son proteínas de transporte que participan en la extrusión de sustratos tóxicos (incluyendo prácticamente todas las clases de antibióticos clínicamente relevantes) desde el interior de las células hacia el medio ambiente externo. Estas proteínas se encuentran tanto en las bacterias Gram-positivas como en las negativas, así como en los organismos eucariotas.1 Las bombas pueden ser específicas para un sustrato o pueden transportar una serie de compuestos estructuralmente diferentes (incluyendo antibióticos de múltiples clases); estas bombas pueden estar asociadas a la resistencia a múltiples fármacos (MDR). En el reino procariota hay cinco familias principales de transportadores de eflujo:2 MF (facilitador principal), MATE (eflujo de múltiples fármacos y tóxicos), RND (resistencia-nodulación-división), SMR (pequeña resistencia a múltiples fármacos) y ABC (casete de unión a ATP). Todos estos sistemas utilizan la fuerza motriz de los protones como fuente de energía3 , aparte de la familia ABC, que utiliza la hidrólisis del ATP para impulsar la exportación de sustratos. Los recientes avances en la tecnología del ADN y el advenimiento de la era genómica han permitido la identificación de numerosos nuevos miembros de las familias mencionadas, y la naturaleza ubicua de las bombas de eflujo es notable. Los transportadores que efluyen múltiples sustratos, incluidos los antibióticos, no han evolucionado en respuesta al estrés de la era de los antibióticos. Todos los genomas bacterianos estudiados contienen varias bombas de eflujo diferentes, lo que indica su origen ancestral. Se ha calculado que ∼5-10% de todos los genes bacterianos están implicados en el transporte y una gran proporción de ellos codifica bombas de eflujo.2,4

Hay cierto debate en cuanto al papel fisiológico «normal» de los transportadores de eflujo, ya que tanto las bacterias susceptibles a los antibióticos como las resistentes llevan y expresan estos genes. En muchos casos, los genes de las bombas de eflujo forman parte de un operón, con un gen regulador que controla la expresión. El aumento de la expresión se asocia con la resistencia a los sustratos, por ejemplo, la resistencia a las sales biliares y a algunos antibióticos en Escherichia coli está mediada por la sobreexpresión de acrAB.5 Aunque los genes que codifican las bombas de eflujo pueden encontrarse en plásmidos, el transporte de los genes de las bombas de eflujo en el cromosoma confiere a la bacteria un mecanismo intrínseco que le permite sobrevivir en un entorno hostil (por ejemplo, la presencia de antibióticos), por lo que las bacterias mutantes que sobreexpresan los genes de las bombas de eflujo pueden seleccionarse sin la adquisición de nuevo material genético. Es probable que estas bombas surgieran para que las sustancias nocivas pudieran ser transportadas fuera de la bacteria, permitiendo su supervivencia. De hecho, en la actualidad se acepta de forma generalizada que la «resistencia intrínseca» de las bacterias Gram negativas a determinados antibióticos en relación con las Gram positivas es el resultado de la actividad de los sistemas de eflujo6. Se han descrito sistemas de eflujo que contribuyen a la resistencia a los antibióticos en varias bacterias de importancia clínica, como Campylobacter jejuni (CmeABC7,8), E. coli (AcrAB-TolC, AcrEF-TolC, EmrB, EmrD9), Pseudomonas aeruginosa (MexAB-OprM, MexCD-OprJ, MexEF-OprN y MexXY-OprM9), Streptococcus pneumoniae (PmrA10), Salmonella typhimurium (AcrB11) y Staphylococcus aureus (NorA12). Todos estos sistemas efluyen fluoroquinolonas y las bombas RND (CmeB, AcrB y las bombas Mex) también exportan múltiples antibióticos.

La sobreexpresión de las bombas de eflujo puede ser el resultado de mutaciones dentro de los genes represores locales13-15 o puede ser el resultado de la activación de un regulado por un regulador transcripcional global como MarA o SoxS de E. coli.16,17 La amplia gama de sustratos de los sistemas de eflujo es preocupante, ya que a menudo la sobreexpresión de una bomba dará lugar a la resistencia a antibióticos de más de una clase, así como a algunos tintes, detergentes y desinfectantes (incluidos algunos biocidas de uso común). La resistencia cruzada también es un problema; la exposición a cualquier agente que pertenezca al perfil de sustrato de una bomba favorecería la sobreexpresión de esa bomba y la consiguiente resistencia cruzada a todos los demás sustratos de la bomba. Estos pueden incluir antibióticos clínicamente relevantes. Un ejemplo de esto se ve de nuevo con el sistema mexAB de P. aeruginosa; los mutantes que sobreproducen MexAB son menos susceptibles, si no totalmente resistentes, a una serie de antibióticos (fluoroquinolonas, β-lactámicos, cloranfenicol y trimetoprima) pero también al triclosán, un biocida doméstico de uso común.18 Recientemente se ha debatido en esta revista y en otros lugares el posible mal uso de los biocidas y la posible selección de bacterias con resistencia cruzada a los antibióticos.19-22 La sobreexpresión de una bomba de eflujo de resistencia a múltiples fármacos por sí sola no suele conferir una resistencia de alto nivel y clínicamente significativa a los antibióticos. Sin embargo, estas bacterias están mejor equipadas para sobrevivir a la presión de los antibióticos y desarrollar más mutaciones en los genes que codifican los sitios objetivo de los antibióticos.23 Se ha demostrado que las cepas de E. coli resistentes a las fluoroquinolonas se seleccionan 1000 veces más fácilmente a partir de los mutantes mar que las bacterias de tipo salvaje,24 y las E. coli altamente resistentes a las fluoroquinolonas contienen mutaciones en los genes que codifican las enzimas de la topoisomerasa diana y tienen una acumulación reducida y un eflujo aumentado (regulación a la baja de la porina y sobreexpresión de la bomba de eflujo).14,15 También se han observado aumentos aditivos en las CMI de los antibióticos tras la sobreexpresión concurrente de más de una bomba de diferentes clases, lo que también da lugar a E. coli altamente resistente.25

Se ha demostrado que la expresión de los sistemas Mex de P. aeruginosa y el sistema de eflujo acrAB de E. coli es mayor cuando las bacterias están estresadas, por ejemplo, cuando crecen en un medio pobre en nutrientes, cuando crecen hasta la fase estacionaria o cuando sufren un choque osmótico; estas condiciones inhóspitas pueden ser relevantes para la situación dentro de una infección.26,27 La sobreexpresión no regulada de las bombas de eflujo es potencialmente desventajosa para la bacteria, ya que no sólo se exportan sustratos tóxicos, sino que también pueden perderse nutrientes e intermediarios metabólicos. Los trabajos realizados con P. aeruginosa han sugerido que los mutantes que sobreexpresan las bombas Mex son menos capaces de soportar el estrés ambiental y son menos virulentos que sus homólogos de tipo natural.28 En consecuencia, la expresión de las bombas está estrechamente controlada. Sin embargo, los mutantes y los aislados clínicos que sobreexpresan las bombas de eflujo son estables y se aíslan con frecuencia; puede ser que tales mutantes acumulen mutaciones compensatorias que les permitan crecer tan bien como las bacterias de tipo salvaje.

Recientemente, se ha investigado el uso de inhibidores de las bombas de eflujo para mejorar y potenciar la actividad de los antibióticos exportados. Esta estrategia se ha utilizado para desarrollar inhibidores que reduzcan el impacto de las bombas de eflujo en la actividad de las fluoroquinolonas. Como muchas bombas de eflujo poseen una importante homología estructural, se espera que un compuesto inhibidor sea activo contra una serie de bombas de diferentes especies bacterianas. La mayoría de las investigaciones se han centrado en las bombas de eflujo de P. aeruginosa Mex y en los inhibidores de éstas. Uno de estos inhibidores redujo los valores de CIM de las fluoroquinolonas tanto para las cepas sensibles como para las resistentes.2 Además, la frecuencia de selección de cepas resistentes a las fluoroquinolonas también fue menor en presencia del inhibidor, lo que sugiere que el eflujo puede ser importante en la selección de la resistencia a las fluoroquinolonas. Se han realizado observaciones similares en S. pneumoniae y S. aureus.29,30 También se ha descrito la necesidad de un sistema de eflujo intacto para permitir el desarrollo de mutaciones en la topoisomerasa y la consiguiente resistencia a las fluoroquinolonas en E. coli.31 La relación entre el eflujo activo y las mutaciones en los genes que codifican las proteínas del sitio diana sugiere que el uso de dichos inhibidores, en asociación con los antibióticos del sustrato, puede ser útil al aumentar tanto la actividad como la gama de especies para las que un fármaco puede ser eficaz. El diseño de nuevos fármacos y la modificación de las moléculas existentes también deberían llevarse a cabo teniendo en cuenta las bombas de eflujo. Las alteraciones estructurales que reducen la capacidad de eflujo de un antibiótico sin comprometer su actividad pueden conducir al desarrollo de compuestos más potentes; ciertamente, la «efluxabilidad» de los fármacos debe tenerse en cuenta ahora, ya que los agentes se desarrollan teniendo en cuenta su eficacia general y la probabilidad de desarrollo de resistencia.

Para concluir, cada vez hay más pruebas de que el papel de las bombas de eflujo en la resistencia a los antibióticos en las bacterias es significativo. Aunque es posible que la resistencia de alto nivel no se produzca únicamente como resultado de las bombas de eflujo MDR, no se puede ignorar la asociación de la sobreexpresión de estos genes entre los aislados clínicos altamente resistentes. La resistencia intrínseca a los antibióticos de ciertas especies también puede deberse en gran medida a las bombas de eflujo. La selección de mutantes de eflujo por parte de los biocidas que se encuentran en el medio ambiente es una preocupación potencial; se necesita más trabajo para cuantificar el riesgo, si lo hay, de tal proceso. Los aumentos sinérgicos de la resistencia que se observan con la sobreexpresión del sistema o sistemas de eflujo, así como las mutaciones del lugar de destino, pueden dar lugar a bacterias muy resistentes que son difíciles de tratar. Es necesario tener en cuenta el efecto de las bombas de eflujo en el diseño de futuros antibióticos y evaluar el papel de los inhibidores para maximizar la eficacia de los antibióticos actuales y futuros.

Para los interesados, hay una serie de excelentes artículos de revisión centrados en las bombas de eflujo.2,3,9,11,32,33

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