Fundamentos Esenciales de Microbiología: Resistencia, Genética y Ciclos de Vida

Estrategias de Tratamiento Antimicrobiano: Escalada y Desescalada

La selección de antibióticos es un proceso dinámico que se ajusta según la evolución clínica y los resultados microbiológicos. A continuación, se presentan ejemplos de secuencias de tratamiento para patógenos comunes:

Staphylococcus aureus (Escalada Terapéutica)

En casos de resistencia o fallo terapéutico, la estrategia de escalada para S. aureus podría seguir la siguiente progresión:

• Cloxacilina
• Vancomicina
• Daptomicina
• Eritromicina

Escherichia coli (Desescalada Terapéutica)

Para E. coli, una estrategia de desescalada, buscando reducir el espectro antibiótico una vez confirmada la sensibilidad, podría ser:

• Cefiderocol
• Meropenem
• Ceftriaxona
• Ampicilina

Casos Clínicos en Microbiología y Resistencia Antimicrobiana

Caso Clínico 1: Staphylococcus aureus

a) Procedimiento de Antibiograma

Observación: El espesor del agar Mueller-Hinton de 10 mm es incorrecto para la realización de un antibiograma por difusión en disco.

Corrección y Justificación: Según las directrices del Clinical and Laboratory Standards Institute (CLSI), el agar Mueller-Hinton debe tener un espesor de 4 mm. Un espesor excesivo, como 10 mm, puede llevar a resultados erróneos debido a que:

• Reduce la difusión del antibiótico en el medio.
• Produce halos de inhibición falsamente pequeños.
• Puede generar resultados erróneos de resistencia, clasificando una cepa sensible como resistente.

b) Perfil de Resistencia y Elección Antibiótica

Es crucial confirmar la resistencia a meticilina en S. aureus. Un halo de cefoxitina de 9 mm (con un punto de corte de ≤21 mm para resistencia) es altamente indicativo de Staphylococcus aureus resistente a meticilina (MRSA).

Confirmación Adicional: La resistencia a MRSA debe confirmarse mediante métodos moleculares como la Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR) para la detección del gen mecA o la identificación de la proteína de unión a penicilina alterada (PBP2a).

Caso Clínico 2: Bacilos Gram Negativos (BGN) y Ceftriaxona

a) Fallo Terapéutico por Múltiples Mecanismos

El fallo terapéutico con ceftriaxona en infecciones por Bacilos Gram Negativos puede deberse a varios mecanismos de resistencia:

• β-Lactamasas de Espectro Extendido (BLEE): Estas enzimas hidrolizan y, por lo tanto, inactivan la ceftriaxona y otras cefalosporinas de tercera generación.
• Carbapenemasas: Si la cepa es productora de carbapenemasas (como KPC, NDM, OXA-48), la ceftriaxona será ineficaz, y la resistencia se extenderá a los carbapenémicos.
• Formación de Biofilm: En infecciones pulmonares, la presencia de biofilm puede reducir significativamente la penetración del antibiótico, protegiendo a las bacterias de su acción.

Mecanismo Molecular: Las enzimas β-lactamasas actúan rompiendo el anillo β-lactámico de la ceftriaxona, lo que resulta en la pérdida de su actividad bactericida. Esto conduce a la persistencia bacteriana y a la progresión clínica de la infección.

b) Alternativas de Tratamiento

Ante un fallo terapéutico con ceftriaxona en BGN, las alternativas de tratamiento incluyen:

• Meropenem: Considerado la primera línea de tratamiento para infecciones causadas por bacterias productoras de BLEE.
• Cefiderocol: Una opción valiosa para infecciones por bacterias productoras de carbapenemasas.
• Colistina + Rifampicina: Una combinación de última línea, reservada para casos de resistencia extrema.
• Considerar: La combinación con aminoglucósidos, como amikacina o gentamicina, según el perfil de sensibilidad del antibiograma.

Caso Clínico 3: Staphylococcus aureus Resistente a Penicilina

Fenómeno de Resistencia

La resistencia de S. aureus a la penicilina, pero no a la cloxacilina, se debe a la producción selectiva de una β-lactamasa (penicilinasa) que hidroliza específicamente la penicilina.

Mecanismo de Acción de los Antibióticos

• Penicilina:
  • Inhibe las Proteínas de Unión a Penicilina (PBPs).
  • Bloquea la síntesis de peptidoglicano, componente esencial de la pared celular bacteriana.
  • Provoca la lisis celular por presión osmótica.
• Cloxacilina:
  • Posee el mismo mecanismo de acción que la penicilina (inhibición de PBPs y síntesis de peptidoglicano).
  • Su estructura química está protegida contra la hidrólisis por β-lactamasas, lo que la hace efectiva contra cepas productoras de penicilinasa.

Resistencia Bacteriana Específica

• Resistencia a Penicilina:
  • La β-lactamasa (penicilinasa) rompe el anillo β-lactámico de la penicilina.
  • Esto resulta en la pérdida de la actividad antimicrobiana del fármaco.
  • Esta resistencia está mediada principalmente por el plásmido que contiene el gen blaZ.
• Resistencia a Cloxacilina:
  • La cloxacilina es resistente a la acción de las β-lactamasas comunes.
  • Mantiene su actividad contra cepas de S. aureus productoras de penicilinasa.
  • Su efectividad se mantiene hasta la aparición de MRSA, cuya resistencia se debe a la adquisición del gen mecA, que codifica una PBP alterada.

Postulados de Koch: Fundamentos de la Etiología de Enfermedades

Los Postulados de Koch son un conjunto de criterios diseñados para establecer una relación causal entre un microorganismo y una enfermedad específica. Son fundamentales en microbiología médica:

1. Presencia Constante: El microorganismo (MO) debe estar presente en todos los individuos que padecen la enfermedad y ausente en los individuos sanos.
2. Aislamiento y Cultivo Puro: El MO debe poder aislarse del huésped enfermo y cultivarse en un cultivo puro fuera del organismo.
3. Reproducción de la Enfermedad: El MO cultivado debe causar la misma enfermedad cuando se introduce en un organismo sano y susceptible.
4. Reaislamiento e Identificación: El MO debe poder ser reaislado del huésped experimental enfermo y ser identificado como idéntico al agente causal específico original.

Mecanismos de Replicación Viral

La replicación viral es un proceso complejo que implica la interacción del virus con la célula huésped para producir nuevas partículas virales. Las etapas clave son:

• Fijación o Adsorción: El virus se une específicamente a la membrana de la célula huésped. Esto ocurre mediante la interacción de proteínas virales (ligandos) con receptores específicos en la superficie celular.
• Penetración: El virus introduce su material genético en el citoplasma de la célula huésped. Esto puede ocurrir por fusión de la envoltura viral con la membrana celular (para virus envueltos), por endocitosis (internalización del virus en una vesícula) o por inyección directa del ácido nucleico (como en algunos bacteriófagos).
• Desnudamiento: Una vez dentro de la célula, la cápside viral es eliminada o degradada, liberando el ácido nucleico viral (ADN o ARN) para que pueda iniciar la replicación.
• Biosíntesis: El ácido nucleico viral toma el control de la maquinaria metabólica de la célula huésped. Utiliza los ribosomas, enzimas y precursores celulares para sintetizar sus propios componentes: nuevas copias de su ácido nucleico y proteínas virales (estructurales y no estructurales).
• Ensamblaje y Liberación: Los componentes virales recién sintetizados se ensamblan para formar nuevos viriones (partículas virales completas). Estos nuevos viriones son liberados de la célula huésped, a menudo causando la lisis celular y la muerte de la misma, o por gemación sin lisis inmediata.

Transferencia Horizontal de Genes en Bacterias

La transferencia horizontal de genes (THG) es un mecanismo crucial para la evolución bacteriana y la diseminación de la resistencia a antibióticos. Los principales mecanismos son:

• Transformación:

  Proceso por el cual una bacteria capta fragmentos de ADN desnudo (ya sean plásmidos o segmentos cromosómicos) que se encuentran libres en su entorno. Este ADN exógeno puede integrarse en el genoma bacteriano o replicarse como un plásmido independiente.

• Transducción:

  Transferencia de ADN bacteriano de una bacteria a otra mediante un bacteriófago (virus que infecta bacterias). Ocurre cuando el fago, durante su ciclo de replicación, empaqueta accidentalmente ADN bacteriano en lugar de su propio ADN viral.

  • Transducción Generalizada: Cualquier parte del genoma bacteriano puede ser transferida.
  • Transducción Especializada: Solo porciones específicas del genoma bacteriano adyacentes al sitio de integración del fago pueden ser transferidas.
• Conjugación:

  Transferencia directa de material genético de una bacteria a otra a través de un contacto célula a célula, mediado por estructuras especializadas llamadas pili de conjugación.

  • Implica una célula donadora (que posee el material genético a transferir, como el factor F o plásmidos de resistencia) y una célula receptora.
  • Se transfieren frecuentemente plásmidos (como los plásmidos R que contienen genes de resistencia a antibióticos), transposones o incluso porciones del cromosoma bacteriano.

Mecanismos de Reproducción en Hongos

Los hongos exhiben diversas estrategias reproductivas, tanto asexuales como sexuales, que les permiten adaptarse y colonizar una amplia variedad de ambientes.

Reproducción Asexual

Implica un solo progenitor y produce descendencia genéticamente idéntica (clones). Este tipo de reproducción permite una colonización rápida y eficiente del sustrato.

• Gemación: Un nuevo organismo se desarrolla a partir de una pequeña protuberancia o yema que brota del organismo progenitor, común en levaduras (ej. Saccharomyces cerevisiae).
• Producción de Esporas Asexuales (Esporulación): El hongo parental produce esporas, que son estructuras reproductivas pequeñas, ligeras e inmóviles, eficientes para la dispersión y supervivencia en condiciones desfavorables. Tipos comunes incluyen:
  • Conidios: Esporas asexuales formadas externamente en conidióforos.
  • Esporangiosporas: Esporas formadas internamente dentro de un esporangio.
  • Blastosporas: Esporas formadas por gemación.
  • Artrosporas: Esporas formadas por fragmentación de hifas.
  • Clamidosporas: Esporas de pared gruesa, resistentes, formadas dentro de las hifas.
• Fragmentación o Fisión: El micelio del hongo se rompe en segmentos, y cada fragmento es capaz de crecer y desarrollarse en un nuevo organismo completo.

Reproducción Sexual

Implica la fusión de esporas o gametos de dos progenitores, lo que genera variabilidad genética y mejora la adaptabilidad a cambios ambientales. Las etapas clave de la reproducción sexual en hongos son:

• Plasmogamia: Fusión del citoplasma de dos micelios parentales (generalmente haploides), resultando en una célula con dos núcleos haploides distintos (estado dicariótico, n+n).
• Cariogamia: Fusión de los dos núcleos haploides (n+n) para formar un único núcleo diploide (2n).
• Meiosis: El núcleo diploide se divide mediante meiosis para producir gametos haploides (n). Estos gametos son posteriormente liberados como esporas sexuales, que germinarán para formar nuevos micelios.

Elementos Genéticos Móviles y Regulación Génica

Transposones

Los transposones, también conocidos como “genes saltarines”, son elementos genéticos móviles que tienen la capacidad de moverse de un lugar a otro dentro del genoma de un organismo, ya sea dentro del mismo cromosoma o entre cromosomas y plásmidos. Están flanqueados por secuencias repetidas invertidas y contienen el gen que codifica la enzima transposasa, la cual facilita su movimiento. Los transposones son importantes en la evolución bacteriana, ya que pueden llevar consigo genes de resistencia a antibióticos, contribuyendo significativamente a la dispersión de estas resistencias entre diferentes especies bacterianas.

Integrones

Los integrones son sistemas de captura y expresión de genes que permiten a las bacterias adquirir y expresar nuevos genes, principalmente genes de resistencia a antibióticos. Se caracterizan por contener una enzima integrasa (IntI), un sitio de inserción específico (attI) y un promotor común. Los integrones actúan como “plataformas genéticas” que pueden acumular múltiples casetes génicos (unidades de genes sin promotor propio) mediante recombinación sitio-específica, lo que les confiere una gran capacidad para la evolución y adaptación bacteriana.

Operones

Los operones son unidades de regulación genética en procariotas donde varios genes relacionados funcionalmente se agrupan bajo el control de un único promotor. Estos genes se transcriben juntos como un solo ARN mensajero policistrónico y se regulan de manera coordinada. Los operones permiten a las bacterias responder de manera eficiente a los cambios en su entorno, activando o desactivando la expresión de grupos de genes necesarios para una función específica.

Operón lac (Lactosa)

• Función: Regula el metabolismo de la lactosa en Escherichia coli.
• Regulación: Se activa cuando hay lactosa presente y la concentración de glucosa es baja. La lactosa actúa como un inductor, inactivando al represor lac, lo que permite la transcripción de los genes necesarios para transportar y metabolizar la lactosa.

Operón trp (Triptófano)

• Función: Regula la síntesis del aminoácido triptófano.
• Regulación: Se desactiva cuando hay triptófano disponible en el medio. El triptófano actúa como un correpresor, activando al represor trp, el cual se une al operador y bloquea la transcripción de los genes biosintéticos, impidiendo la síntesis de más triptófano (mecanismo de retroalimentación negativa).