Antimicrobianos

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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 antago-nismo 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 tra-

tamiento de enfermedades infecciosas y constantemente se estudian otros nuevos para con-trarrestar 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 dife-

rencia 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 cum-ple 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 diferen-

cia 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 es-tructura (Figura 1). Pueden ser naturales o semisintéticos por el agregado de radica-les 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, mezlocili-

na) 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 enzi-mas inactivantes:

⇒ 1ra generación (cefalotina, cefadroxilo, cefalexina) ⇒ 2da generación (cefaclor, cefoxitina, cefuroxima) ⇒ 3ra generación (cefotaxima, ceftriaxona, cefoperazona, ceftazidima) ⇒ 4ta generación (cefepime, cefpirome)

• Glucopéptidos (vancomicina, teicoplanina) • Quinolonas a) Antiguas quinolonas (ácido nalidíxico, ácido pipemídico) b) Nuevas quinolonas (norfloxacina, ciprofloxacina, pefloxacina, ofloxacina)

• Macrólidos (eritromicina, claritromicina, roxitromicina, azitromicina)

Fig. 1: estructura básica de las penicilinas y cefalosporinas

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• Aminoglucósidos (tobramicina, netilmicina, neomicina, gentamicina, amicacina, ka-namicina, 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, sulfa-midas 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 bac-

terias, 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 pro-teínas ligadoras de penicilina (PBP o PLP) que pueden actuar como transpep-tidasas, peptidasas y carboxipeptidasas. Los betalactámicos poseen una ana-logía 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 sali-da de cationes y macromoléculas vitales al exterior de la célula: Polimixinas, nista-tina, anfotericina, imidazólicos (Figura 3).

• 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) inactivan-

do selectivamente la ARN polimerasa dependiente de ADN: rifampicina. ◊ Al nivel de la traducción (síntesis de proteínas dependiente de ARN): amino-

glucósidos (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 pro-teínas anómalas), tetraciclinas (bloquea la unión en el punto A), nitrofura-nos (bloquean la iniciación de la traducción de enzimas inducibles), cloram-fenicol 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 ana-

logía 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)

Fig. 3: mecanismo de acción de las polimixinas a nivel de membrana citoplasmática.

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Tipos de interacción entre antimicrobianos a) Sinergismo: el efecto de ambos agentes juntos es mayor que el de cada uno por separa-

do. 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 ejem-plo: 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.

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

Fig. 4: Mecanismos de acción de los antimicrobianos al nivel de la síntesis de proteínas

Ácido p-aminobenzoico

Dihidropteroato Sulfamidas sintetasa

Dihidropteroato

Dihidrofolato

Dihidrofolato Trimetoprima reductasa

Tetrahidrofolato

Ácidos nucleicos

Fig. 5: Acción de sulfamidas y

trimetoprima sobre la vía metabóli-

ca de formación de ácido fólico y

derivados.

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junto con otro que posee actividad bacteriostática (sulfamidas). Debe evitarse esta asocia-ción 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 in-

fecciosos 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 in-

fecciones por aerobios y anaerobios en las que se debe asociar betalactámicos con me-tronidazol.

⇒ 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 bacte-

ria a otra de la misma especie. Por ejemplo las enterobacterias son resistentes a la penicili-na.

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 ad-quirida 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 ma-nifiesta cuando se seleccionan las mutantes resistentes durante la administración de la droga selectora. Puede manifestarse en una sola generación microbiana (resis-tencia a estreptomicina) o en varias generaciones sucesivas (las bacterias se van haciendo progresivamente más resistentes como en el caso de Neisseria gonorr-hoeae 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 bio-químico, 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 an-

timicrobiano volviéndolos inactivos. Son ejemplos de drogas afectadas: betalactá-micos (betalactamasas cromosómicas o plasmídicas), aminoglucósidos (adenil, acetil y fosforil-transferasas), cloramfenicol (cloramfenicol-acetil-transferasa), lincosaminas (lincosamina-denilasa) (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 con-dicionan la disminución de la entrada del antimicrobiano a la bacteria. Los fármacos afecta-dos por estos serían aminoglucósidos, tetraciclinas, betalactámicos.

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 transporta-da mediante una “proteína accesoria” al exterior de la bacteria a través de un canal poríni-co en la membrana externa. Este mecanismo de resistencia afecta a tetraciclinas, quinolo-nas, 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 afec-tadas 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 afecta-das 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 prede-cibles, en otras es necesario estudiar la susceptibilidad antibacteriana desde el laboratorio. Para ello se cuenta con diferentes metodologías.

Fig. 6: Acción de la betalactamasa sobre la penicilina

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a) Técnicas cualitativas: antibiograma por difusión en agar o técnica de Kirby-Bauer, enfren-tando 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).

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 bacte-riana con diferentes concentraciones del antibiótico en caldo de cultivo. Luego de la incuba-ción 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).

Suspensión bacteriana

Fig. 7: Esquema de la técnica de antibiograma por difusión en agar

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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 per-mitiendo cuantificar, mediante la lectura de un elipse de inhibición, las concentraciones inhibi-torias 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 produ-ciendo 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 sus-pensión bacteriana. Luego de la incubación se resiembran en medio sólido las mezclas bac-teria/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 pa-ciente que provoca la muerte de la bacteria en estudio.

Fig. 8.: Determinación de la concentración inhibitoria mínima (CIM)