Un paso por delante en las infecciones microbianas al interrumpir la comunicación entre las bacterias que forman biofilms

Autor: Richard Bezemer, LabVision

AHV International desarrolla, produce y comercializa soluciones que favorecen y optimizan la salud de los animales de granja gracias a su acción proactiva contra las invasiones bacterianas. Los compuestos extraídos de extractos de plantas interrumpen o descomponen la formación de los biofilms. Se ha creado un laboratorio de microbiología, de cultivo celular y químico-analítico para desarrollar nuevos productos e investigar la acción precisa de estos antagonistas de Quorum Sensing. Luc Grisez, Director de I+D, nos habla del potencial de estos antagonistas contra las invasiones bacterianas, aunque aún son relativamente desconocidos.

En las bacterias, la cooperación está en los genes. “Una bacteria sola es vulnerable a un ejército de mecanismos de defensa del huésped. Además, no es tan fácil adherirse a la pared de, por ejemplo, el intestino y, antes de que te des cuenta, eres arrastrada por una corriente de fluidos corporales. Con el pretexto evolutivo de mantenerse fuertes juntas, millones de bacterias son capaces de formar un biofilm, que actúa casi literalmente como un muro protector frente a factores externos como el sistema inmunitario del huésped, pero también frente a los antibióticos. Además, este biofilm puede adherirse extremadamente bien y permanecer en el sitio”, explica Luc Grisez. Él es director de I+D de Animal Health Vision (AHV) en Zwolle, una empresa que se dedica al desarrollo, producción y venta de agentes que contrarrestan o descomponen los biofilms. Su actividad se centra en los animales de granja, especialmente vacas, cerdos, cabras, aves de corral y peces de piscifactoría, para los que existe una gama de productos en el mercado.

Cepíllate bien

La mayoría de las bacterias forman biofilms. Esto puede ocurrir en humanos o animales, pero también en entornos e instalaciones donde se dan condiciones favorables para su crecimiento, como en el interior de las calderas y torres de refrigeración o en las redes de pesca. En los humanos, la placa dental es el biofilm más tangible (por lo que hay que cepillarse bien para eliminarlo mecánicamente), pero la formación de biofilms también se produce en infecciones intestinales, del tracto urinario y pulmonares. Los animales de granja se enfrentan a infecciones similares, pero también hay afecciones específicas como la mastitis (inflamación de la ubre), que tiene un impacto directo en la producción de leche.

“Con la excusa evolutiva de que juntos somos más fuertes, las bacterias son capaces de formar millones de biofilms”, explica.

Quorum sensing

Para formar los biofilms, las bacterias utilizan un mecanismo ingenioso de comunicación entre células conocido como Quorum Sensing. Este fenómeno, descubierto en la década de 1970, aún no ha desvelado todos sus secretos en detalle. Lo que está claro, sin embargo, es que debe haber un buen número de bacterias presentes para desencadenar la formación de un biofilm. Si tienes una sola bacteria y esta dice ‘estoy bien aquí, pero me faltan nutrientes’, tiene que empezar a producir ciertas enzimas para conseguir esos nutrientes. Pero lo más probable es que esta enzima se disipe. Así que no es energéticamente responsable hacer eso. Sin embargo, si millones de bacterias están muy cerca unas de otras, entonces se produce tanta cantidad de esa enzima que los nutrientes pueden fluir de vuelta y entonces sí que tiene sentido seguir ciertas vías energéticas y recuperar el beneficio de ello. Una bacteria también produce moléculas de señalización intra e intercelular que se difunden hacia el exterior. A partir de cierta concentración, se alcanza un Quorum (una cantidad mínima necesaria), por lo que se reabsorben e inducen la expresión de genes, que aseguran la formación del biofilm y la producción de ciertas enzimas y toxinas”.

La formación del biofilm consta de unas cinco etapas. Comienza con una adhesión relativamente débil a las células del huésped (absorción). Después, se adhieren más fuertemente formando una monocapa, que es efectivamente el comienzo de la colonización. En esta fase, también se forma una capa de matriz polimérica que protege a las bacterias. Tras el crecimiento completo de este biofilm (mediante la división celular), parte del biofilm puede desprenderse para iniciar un nuevo ciclo de formación de biofilm.

Luchando contra el biofilm

El biofilm no sólo constituye una excelente barrera contra el sistema inmunitario del huésped, sino que también ofrece a los antibióticos escasas posibilidades de éxito. Las bacterias del biofilm pueden entrar en una especie de estado latente, en el que apenas estan metabólicamente activas. En ese estado, en el que tampoco se produce división celular, son hasta 40 veces menos sensibles a los antibióticos. “Los antibióticos se siguen utilizando ampliamente en los animales de granja. Son una buena solución temporal para los casos agudos porque atacan a las bacterias planctónicas que flotan libremente. Pero esto no elimina la infección del biofilm. Además, al interferir directamente con las bacterias de un biofilm, aumentan las probabilidades de desarrollar resistencia a los antimicrobianos”, explica Luc.

“No matamos a las bacterias, sino que impedimos que se establezcan o acabamos con su establecimiento”.

Los antagonistas del Quorum Sensing desarrollados por AHV no son tanto una alternativa a los antibióticos sino más bien un complemento que los hace mucho menos necesarios. La acción de estos compuestos está dirigida a «afinar» el metabolismo de la bacteria. No matamos a la bacteria, sino que impedimos que se establezca o rompemos su establecimiento, el biofilm, para que no pueda expresar sus propiedades virulentas. Esto la deja susceptible, no sólo a los antibióticos, sino también al sistema inmunitario del huésped, que luego puede eliminar las bacterias por sí mismo. Como nos dirigimos al biofilm, que es la causa del problema, podemos garantizar que el problema permanezca alejado durante más tiempo. De hecho el biofilm obstaculiza un tratamiento antibiótico eficaz, permitiendo que las infecciones reaparezcan. Al eliminar el biofilm, esa posibilidad es mucho menor. Esto beneficia a la salud del animal, que tiene así más energía para hacer frente a los factores de estrés. En la práctica, eso se traduce en una vida más larga del animal y una mayor productividad”.

Preventivo

Luc subraya que los antagonistas no son fármacos, como son los antibióticos. Nuestra visión es que nuestras soluciones se utilicen de forma proactiva. Para ello, hemos desarrollado protocolos específicos para animales, en los que los productos se administran a menudo por vía oral como aditivo en el pienso o en forma de bolo. Por ejemplo, una vaca tiene momentos de estrés fijos durante la lactancia, como el parto. Es entonces cuando el riesgo de infección es mayor. Podemos anticiparnos a estos momentos con nuestros productos en forma de un protocolo proactivo que ‘limpia’ al animal de antemano, elimina el biofilm para que el animal no tenga que gastar energía extra luchando contra una infección aguda. Su propio sistema inmunitario puede combatirla sin problemas’.

Compuestos eficaces

Para la búsqueda de compuestos eficaces, el mundo vegetal ofrece una fuente aparentemente inagotable. ‘Las plantas son una fuente lógica proveedora de compuestos interesantes. No tienen sistema inmunitario y sólo pueden protegerse de los agentes nocivos por otros medios químicos. En la bibliografía hemos encontrado muchos componentes o clases de compuestos adecuados. Pero en el laboratorio, también probamos los extracto de plantas contra los patógenos que nos interesan, como Streptococcus, Campylobacter, E. coli y Salmonella. De ahí sale una selección, a partir de la cual elaboramos un producto. Hay que tener en cuenta que a menudo se trata de una combinación de componentes. El mecanismo de formación de los biofilms depende de las bacterias, pero las combinaciones de sustancias que utilizamos son ampliamente aplicables a todos ellos’, afirma Luc.

Guerra fría

El Quorum Sensing se ha convertido en un término comodín para múltiples mecanismos bacterianos como resultado de muchas investigaciones realizadas en los últimos años. Por ejemplo, ahora también hay pruebas de una interacción entre lo que produce una bacteria en términos de moléculas de señalización y su efecto sobre el sistema inmunitario. Por tanto, también existe un efecto entre la bacteria y el huésped. Esta secuencia de sistemas interactivos puede considerarse una guerra fría a nivel bacteriano.

Para tener en cuenta también estos efectos secuenciales, AHV ha ampliado su enfoque de desarrollo, que en un principio se centraba exclusivamente en el biofilm. ‘También estamos estudiando los efectos sobre la estimulación del sistema inmune y la modulación de la respuesta inflamatoria. Además, estamos explorando hasta qué punto podemos preservar las bacterias no nocivas que, por ejemplo, ayudan a digerir los alimentos en el intestino. También estamos estudiando la integridad de la pared intestinal, que está ligada al estado de, literalmente, una capa de células, la cual debe permanecer intacta. Se puede reforzar la unión entre esas células, lo que beneficia a la integridad intestinal y a un funcionamiento óptimo’, explica Luc.

Además de buscar nuevas sustancias, también se trabaja mucho en los laboratorios para desarrollar fórmulas. Al principio, los productos se presentaban principalmente en forma de comprimidos (tableta o bolo), lo que es ideal para administrar a una vaca, pero no para los pollos o los peces. Es preferible hacerlo a través del agua de bebida o del pienso. Entonces, ¿cómo se obtiene el producto en la dosis correcta? ¿Se mantiene estable durante un determinado periodo de tiempo?

Tres laboratorios

AHV cuenta con un laboratorio de microbiología BSL-2, un laboratorio de cultivos celulares y un laboratorio químico-analítico, en los que trabajan actualmente cinco investigadores. El laboratorio de microbiología estudia las influencias sobre bacterias específicas. ¿Funcionan los productos de la misma manera en distintas especies bacterianas y cómo lo hacen exactamente? Para ello no sólo se examina el biofilm, sino también la mortalidad bacteriana, la producción de enzimas y las toxinas que estas producen.

Para el estudio, se cultivan en el laboratorio varias líneas celulares de vacas y cerdos. Los investigadores estudian la citotoxicidad de los productos: cuáles son las dosis seguras a nivel celular; la inmunomodulación: cómo estimulamos la respuesta inmunitaria del huésped y desarrollamos métodos para investigar la integridad de la pared intestinal, por ejemplo.

En el laboratorio químico-analítico, se lleva a cabo en primer lugar el control de calidad de las materias primas y los productos finales de AHV. Pero cada vez se trabaja más en la investigación de lo que ocurre con los componentes durante la producción y la administración, utilizando cromatografía de líquidos con espectrometría de masas (LC-MS), entre otros métodos. “Para una formulación para salmón, mezclamos nuestro producto con pienso para peces. Se peletiza. Esto implica vapor y altas temperaturas. La cuestión es si los componentes siguen activos y disponibles tras ese tratamiento físico-químico. ¿Cuál es la degradación de mis componentes en función del tiempo? ¿Podemos encontrarlos en el intestino, en la sangre, etc?”, pone Luc como ejemplo.

Se necesita más agua

A medida que se amplía la gama de productos y se intensifica la investigación, también se necesita cada vez más agua, tanto desmineralizada como ultrapura. El año pasado, AHV ya invirtió en un Purelab Flex 3 suministrado por Veolia Water Technologies, que convierte el agua del grifo en agua ultrapura, utilizada, entre otras cosas, para el LC-MS. El sistema de sobremesa proporciona un caudal máximo de dos litros de agua ultrapura por minuto.

Para el agua desmineralizada, que se vende a los tres laboratorios pero tiene como principal usuario el autoclave, AHV se está orientando hacia un sistema más fácil de usar que el existente. De hecho, funciona con cartuchos filtrantes que deben regenerarse cada cierto tiempo, lo que, sobre todo con la creciente demanda de cultivos celulares y análisis químicos, no es conveniente para trabajar. Veolia también está en la carrera en este sentido, con un sistema de ósmosis inversa Chorus 3. Sin embargo, aún no se ha tomado una decisión al respecto.