De los trasplantes de heces a la terapia de reemplazo de microbiota.

Clostidioides difficile. Fuente: Wikipedia

Hace unos meses comentaba en un artículo el uso de los trasplantes fecales para el tratamiento de las infecciones producidas por la bacteria Clostridioides difficile (antes conocida como Clostridium difficile). Aunque los trasplantes de heces están reconocidos como una terapia efectiva, no todo son ventajas.

Uno de los problemas es que los excrementos deben provenir de un donante sano. Otro es que deben ser analizados y procesados para asegurarse de que no presentan microorganismos potencialmente patógenos. Y por si fuera poco, cada donante tiene su propia microbiota, por lo que la variabilidad es enorme.

El tratamiento de las infecciones por C. difficile, que causan diarreas y colitis, se simplificaría bastante si los médicos dispusieran de una preparación de bacterias con el potencial terapéutico deseado y que su seguridad y su eficacia estuvieran garantizadas. Es decir, conseguir un biofármaco diseñado para desplazar al microorganismo patógeno.

Artículo completo en The Conversation. Para seguir leyendo sigue este enlace.

¿Son nuestras heces el elixir de la juventud?

Hace unos 1 700 años al médico chino Ge Hong se le ocurrió que una forma de tratar la diarrea era dar a sus pacientes una “sopa amarilla” hecha a partir de heces frescas de un donante sano. La cosa debió de funcionar, porque para el siglo XVI los médicos chinos elaboraban diferentes “sopas amarillas” y “siropes dorados” que podían utilizarse para el tratamiento de distintas dolencias intestinales o intoxicaciones alimentarias.

Si quieres seguir leyendo, el resto del artículo está publicado en The Conversation. Comento los recientes resultados que se describen en este artículo científico del cual he sacado la imagen que aparece en la cabecera.

El tema de los trasplantes de heces ya ha aparecido en el blog en otras ocasiones.

Un nuevo antibiótico: Fidaxomicina

La FDA acaba de aprobar un nuevo antibiótico para uso clínico. Se trata de la fidaxomicina, un antibiótico macrocíclico que inhibe a la RNA polimerasa.

Estructura de la fidaxomicina (Fuente: Wikipedia)

¿Qué tiene de novedoso este antibiótico? Su nombre comercial nos da una pista: "Dificid". Es un antibiótico bastante selectivo contra la bacteria Clostridium difficile. Ya hemos hablado anteriormente de este patógeno intestinal. C. difficile pueda colonizar el tracto intestinal provocando un cuadro de diarrea severa debido a las toxinas que produce. La infección es complicada de tratar debido a que las esporas de la bacteria resisten el tratamiento con antibióticos. Generalmente las infecciones de C. difficile son tratadas con vancomicina, un antibiótico glicopéptido que afecta a la síntesis del peptidoglicano de las bacterias gram positivas sobre todo. Eso quiere decir que no discrimina entre "bichos malos y buenos". La ventaja de la fidaxomicina es que es muy selectiva contra C. difficile por lo que los "bichos buenos" de nuestra microbiota intestinal no se ven tan afectados.

Según el CDC, tan sólo en los Estados Unidos las infecciones por esta bacteria afectan anualmente a unas 500.000 personas de entre las cuales causa la muerte a 30.000. No es de extrañar que la FDA haya considerado que los ensayos clínicos de este antibiótico tenían la máxima prioridad. En el ensayo con 548 pacientes han visto que su nivel de efectividad es similar al de la vancomicina (88% frente a un 86%).

Resultado de los ensayos clínicos con la fidaxomicina (Fuente: Biotech Investment Paradigm)

Como puede uno imaginar, las acciones de la compañía que fabrican este antibiótico van a subir como la espuma. Se espera que las ventas superen los 217 millones de dólares para el 2015 sólo en los EEUU, y en todo el mundo se espera que sean de 500 millones.

Esta entrada participa en el V arnaval de la química organizado por Scientia.

Bio-Butanol, una alternativa a la gasolina

Butanol (Fuente: Wikipedia)

El metanol es un alcohol con un sólo átomo de carbono, el etanol tiene dos carbonos, el propanol tres y el butanol cuatro. En este último, la molécula es más larga y es más parecida a los componentes de la gasolina. De hecho, funciona bastante bien en los motores de combustión sin necesidad de realizar grandes modificaciones. El principal problema que tiene es su alta viscosidad, unas diez veces mayor que la gasolina.

El etanol puede obtenerse utilizando microorganismos como las levaduras y por eso hay muchas esperanzas puestas en él como biocombustible. Pero el butanol también está en la carrera. Un grupo de la Universidad de California, Berkeley han conseguido modificar a la bacteria Escherichia coli para que produzca butanol de forma eficiente. Pero no sólo eso, el objetivo a largo plazo es que esa bacteria pueda usar como nutriente sustratos orgánicos provenientes del procesamiento de las plantas usadas para la alimentación. Es decir, que pueda usar la paja del trigo o los tallos del maíz y no sus granos.

Microfotografía electrónica de C. acetobutylicum (Fuente: Biomass)

El butanol es producido mediante fermentación por la bacteria Clostridium acetobutylicum, una bacteria Gram positiva endosporulada que crece en anaerobiosis. Pero C. acetobutylicum crece bastante lentamente y además en su proceso fermentativo se produce acetona e hidrógeno lo que hace un cóctel explosivo algo peligroso. Así que se ha intentado mejorar el proceso de varias formas.

Una manera ha sido tomar los genes de las cinco enzimas responsables de la ruta de producción de butanol en C. acetobutylicum y clonarlos en la levadura Saccharomyces cereviseae o en la bacteria Escherichia coli. Ambas son más fáciles de crecer que C. acetobutylicum, pero al hacerlo se encontró que no producían tanto butanol como se esperaba.

Al analizar el porqué lo que se encontró es que las enzimas clonadas volvían a convertir al butanol en sus precursores. Para entendernos, una ruta bioquímica es como una cadena de montaje. La enzima 1 coge un sustrato y lo modifica convirtiéndolo en el producto 1. El producto 1 es a su vez el sustrato de la enzima 2 que lo transforma en el producto 2, que a su vez es el sustrato de la enzima 3, etcétera. Pero si las reacciones son reversibles nos podemos encontrar conque la enzima 4 coge el producto 4 y lo vuelve a convertir en sustrato con lo que la ruta va hacia atrás y eso hace disminuir el rendimiento de butanol.

Así que lo que han hecho en Berkeley es rediseñar la ruta biosintética utilizando una cepa de Escherichia coli que tenía la ruta completa clonada. El rediseño ha consistido en sustituir dos de las cinco enzimas por enzimas análogas provenientes de otros dos microorganismos, pero que no vuelven a reaccionar con el butanol. Ahora la ruta funciona sólo en una dirección y el rendimiento de producción de butanol es óptimo.

Ruta quimérica para sintetizar butanol a partir de acetil-coA. La ruta superior en azul pertenece a la bacteria Ralstonia eutrophus y la utiliza para producir polihidroxialcanoatos. Debajo se muestra la ruta metabólica diseñada a partir de los genes de C. acetobutylicum en rojo y un gen de Streptomyces collinus en negro. (Fuente: Bond-Watts et al.)

Producción de butanol por distintas cepas de E. coli que portan diversas rutas metabólicas quiméricas. La cepa Nº 19 consigue un rendimiento de 4.650 ± 720 mg/litro y una tasa de conversión de la glucosa del 28% (Fuente: Bond-Watts et al.)

Esta entrada participa en el III Carnaval de la Química organizado por Experientia Docet.

Bond-Watts BB, Bellerose RJ, & Chang MC (2011). Enzyme mechanism as a kinetic control element for designing synthetic biofuel pathways. Nature chemical biology PMID: 21358636

La evolución de un patógeno

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Microfotografía del patógeno Clostridium difficile (fuente: Microbiology Bytes)

Ya hemos hablado en otra ocasión de Clostridium difficile, una bacteria patógena Gram-positiva anaerobia y formadora de esporas. Esta bacteria puede adquirirse por alimentos contaminados o encontrarse en nuestros intestinos como un residente más, aunque afortunadamente en bajos números gracias al efecto competitivo de las diversas especies que conforman nuestra microbiota intestinal, con lo cual no causa problemas.

Pero hay ocasiones en que C. difficile se convierte en un grave problema. Por ejemplo, si tras el uso de una terapia antibiótica se alteran las poblaciones de la microbiota intestinal. Esto puede permitir que C. difficile pueda colonizar el tracto intestinal provocando un cuadro de diarrea severa debido a las toxinas que produce. Como las esporas de la bacteria resisten el tratamiento con antibióticos, es muy difícil de tratar dicha infección.

C. difficile fue reconocido oficialmente como un patógeno en los años 80. Desde entonces se han ido caracterizando genéticamente a distintas cepas, sobre todo mediante la técnica del ribotipado. Es decir, el análisis de los genes que codifican para los distintos RNA ribosomales para establecer las diversas relaciones evolutivas entre distintos brotes epidémicos. De esa forma se estableció la existencia de cuatro clados o linajes principales, entre ellos uno hipervirulento.

En el año 2003 hubo un brote en Canadá producido por una cepa hipervirulenta que presentaba un ribotipo denominado 027. Hasta ese momento esa cepa era bastante rara, pero desde entonces se ha ido extendiendo por todo el mundo y ahora es la responsable del 50% de los casos caracterizados en los hospitales de Norteamérica y del Reino Unido. La epidemiología de C. difficile está evolucionando muy rápidamente y aun no se conoce el porqué.

Un reciente artículo de un grupo investigador del Welcome Trust Sanger Institute describe la completa caracterización del genoma de treinta aislados de C. difficile. Ocho aislados representando a los cuatro clados principales para estudiar la macroevolución de la especie y ventiún aislados del clado hipervirulento para estudiar la microevolución. Y lo que se ha encontrado es que el genoma de C. difficile ha tomado forma debido a eventos de transferencia genética horizontal y recombinación a gran escala que han afectado a lo que podríamos llamar el núcleo central de genes de esta bacteria (en inglés Core genes). Estos eventos evolutivos han tenido lugar tanto a escalas de tiempo cortas como largas.

Árboles filogenéticos de C. difficile basados en la secuenciación de los genomas completos de los diferentes aislados. Las flechas y los círculos vacíos indican inserciones y deleciones genéticas. Las islas genómicas que presentan resistencias a antibióticos están marcadas con asteriscos. El árbol A representa la filogenia de los clados principales. Los cuatro clados determinados anteriormente por la técnica del ribotipado ahora son cinco. Las cepas hipervirulentas del ripotipo 027 están dentro de la rama anaranjada. El árbol B representa la filogenia dentro de la rama 027 lo que nos da idea de la microevolución de dicho grupo. Los nombres de las cepas están coloreados para indicar su lugar de origen (azul-Estados Unidos, rojo-Gran Bretaña, verde – Francia). Fuente: He et al. 2010.

El análisis filogenético ha demostrado que C. difficile es una especie con una gran diversidad genética y cuyos linajes han evolucionado entre los últimos 1'1 - 85 millones de años. Pero la patogenicidad se encuentra en unos determinados linajes y que dicha propiedad ha surgido independientemente en cada uno de ellos.

Los resultados sugieren que la presión selectiva ha dado forma al núcleo central genómico de C. difficile, y que los efectos ambientales y genéticos son los responsables de su reciente expansión como un patógeno. El estudio también abre nuevas vías para el desarrollo de herramientas epidemiológicas para estudiar las rutas de transmisión de esta bacteria y para el diseño de terapias más efectivas.

He, M., Sebaihia, M., Lawley, T., Stabler, R., Dawson, L., Martin, M., Holt, K., Seth-Smith, H., Quail, M., Rance, R., Brooks, K., Churcher, C., Harris, D., Bentley, S., Burrows, C., Clark, L., Corton, C., Murray, V., Rose, G., Thurston, S., van Tonder, A., Walker, D., Wren, B., Dougan, G., & Parkhill, J. (2010). Evolutionary dynamics of Clostridium difficile over short and long time scales Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.0914322107

Audio en "El podcast del microbio"

De la coprofagia como terapia digestiva

ACTUALIZACION noviembre 2011: Ensayos clínicos mostrando la efectividad del trasplante de microbiota fecal.


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Estoy convencido que cualquier lector del blog ha oído hablar de las mil y un maravillas y beneficios que se obtienen al comer alimentos probióticos. Dejando de lado la publicidad, la idea que hay detrás de alimentarse con microorganismos vivos es mantener o restablecer nuestra microbiota intestinal y evitar que seamos colonizados por microorganismos patógenos.

Y es que si miramos al contenido de nuestras tripas nos encontraremos que están habitadas por una gran multitud de diversos tipos de microorganismos. De hecho, en números, hay diez veces más células microbianas en nuestro cuerpo que células propias (ver E pluribus Unum). Y nosotros tenemos 10.000.000.000.000 de células en nuestros tejidos. Se calcula que esos 100 billones de microorganismos pertenecen a unas 500 especies distintas. El 99% de esas especies son beneficiosas o no son perjudiciales para el ser humano. El 1% restante está compuesto por microorganismos que pueden ser patógenos, pero afortunadamente para nosotros están presentes en muy pequeño número para hacernos daño pues las poblaciones beneficiosas los mantienen a raya. En términos de ecología microbiana nuestros intestinos es un ecosistema de una gran biodiversidad.

Cuando por alguna circunstancia las poblaciones que forman parte de dicho ecosistema se ven alteradas podemos tener problemas. Más de uno habrá oído hablar de la molesta "diarrea del viajero" o de la "venganza de Moctezuma". Esta se produce por haber consumido agua o alimentos contaminados con bacterias fecales como Escherichia coli, Shigella, Salmonella, etc. Generalmente no es grave y suele desaparecer después de algunos días. Otras causas de alteración es la ingesta de antibióticos. No es raro que se originen diarreas después de un tratamiento de varios días con algún beta-lactámico. La mayoría de las veces la situación es reversible y las cosas vuelven a la normalidad una vez que se deja el tratamiento.

El emperador azteca Moctezuma según el Códice Mendoza

Sin embargo a veces la alteración de la microflora es grave. Un antibiótico puede alterar de tal forma las poblaciones que no sólo no se recupere la normalidad, sino que encima se produzca una patología porque se ha favorecido el crecimiento de alguna especie de ese 1% de patógenos. Es lo que le ocurrió a Vicky Doriott. Esta mujer de Minnesota tuvo que pasar dos tratamientos de antibióticos muy seguidos debido a un resfriado y a una visita al dentista. Al cabo de unos días manifestó un cuadro febril y una diarrea severa. Le diagnosticaron colitis pseudomenbrabosa producida por Clostridium difficile, una bacteria Gram positiva anaerobia endosporulada. Esta bacteria es un habitante común del intestino y es capaz de generar toxinas, pero generalmente sus niveles de población son muy bajos por lo que no causa ningún daño. Lo malo es que los antibióticos habían eliminado a sus competidores y por lo tanto C. difficile había podido crecer sin ningún problema. Cuando esto sucede, los niveles de población son tan altos que la concentración de toxinas comienza a producir serios daños al organismo.

Células de Clostidium difficile al microscopio electrónico

Como indica el apellido del bicho, el tratamiento de su infección es bastante difícil. La bacteria es insensible a la mayor parte de los antibióticos y solo la vancomicina o el metronidazol consiguen hacer algún efecto sobre ella. Lo malo es que las esporas son totalmente insensibles al efecto de los antibióticos, por lo que una vez retirados el paciente puede volver a recaer una vez germinen las esporas. Y eso es lo que le ocurría a Vicky. Tras varios meses de padecimiento se optó por un tratamiento mucho más drástico para curarla.

Dicho tratamiento consiste en la "Bacterioterapia fecal" o "transplante fecal". Básicamente consiste en tomar las heces de un donante sano e introducirlas por vía oral en el paciente enfermo (también puede suministrarse mediante un enema). Con ello se espera que los microorganismos presentes en dichas heces desplacen al microorganismo patógeno y restablezcan la microflora. En el caso de Vicky, el donante sano se trató de su marido y no sin razón. Hay un refrán castellano que dice quien en la cama departe, ideas comparte. En este caso su marido probablemente compartía microflora con su mujer antes de que esta enfermara y además dicha microflora seguramente ya había entrado en contacto con las esporas de C. difficile y no había permitido que se establecieran en su intestino.

El procedimiento consiste tomar las heces frescas recién excretadas. Posteriormente se hace con ellas una papilla que luego es filtrada para eliminar restos y fibras indigeribles, ya que solo un 50% del peso de las heces humanas son bacterias, el resto es material no digerible. El filtrado se introduce en el estómago del paciente a través de una sonda nasogástrica, por lo que en ningún momento tiene que tragarlas. En el caso de Vicky la mejoría fue cuestión de días, otros pacientes necesitan la repetición de la infusión durante una semana. Los defensores de esta técnica aseguran que el éxito es superior al 90%, aunque también reconocen que solo la utilizan como "último recurso" si la terapia de antibióticos falla.

Esquema que muestra la introducción de la sonda nasogastrica para realizar el trasplante fecal

En resumen, eat shit to feel better

Audio en "El podcast del microbio"

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