El veneno es letal por sí solo, como lo son las flechas, pero su combinación es mayor que la suma de sus partes. Un arma que ataca simultáneamente desde adentro y desde afuera puede derribar incluso a los oponentes más fuertes, desde E. coli hasta MRSA (Staphylococcus aureus resistente a la meticilina).
Un equipo de investigadores de Princeton informó hoy en la revista Cell que encontraron un compuesto, SCH-79797, que puede perforar simultáneamente las paredes bacterianas y destruir el ácido fólico dentro de sus células, a la vez que es inmune a la resistencia a los antibióticos.
Las infecciones bacterianas vienen en dos sabores: Gram-positivas y Gram-negativas – llamadas así por el científico que descubrió cómo distinguirlas. La diferencia clave es que las bacterias gramnegativas están blindadas con una capa externa que evita la mayoría de los antibióticos. De hecho, no hay nuevas clases de medicamentos Gram-negativos que maten en el mercado en casi 30 años.
"Este es el primer antibiótico que puede apuntar a Gram-positivos y Gram-negativos sin resistencia", dijo Zemer Gitai, profesor de biología Edwin Grant Conklin de Princeton y autor principal del artículo. "Desde la perspectiva de 'Por qué es útil', ese es el quid. Pero lo que más nos entusiasma como científicos es algo que hemos descubierto sobre cómo funciona este antibiótico, atacando a través de dos mecanismos diferentes dentro de una molécula, que somos la esperanza es generalizable, lo que lleva a mejores antibióticos, y nuevos tipos de antibióticos, en el futuro ".
La mayor debilidad de los antibióticos es que las bacterias evolucionan rápidamente para resistirlos, pero el equipo de Princeton descubrió que incluso con un esfuerzo extraordinario, no pudieron generar resistencia a este compuesto. "Esto es realmente prometedor, por eso llamamos a los derivados del compuesto 'Irresistina'", dijo Gitai.
Es el santo grial de la investigación sobre antibióticos: un antibiótico que es efectivo contra enfermedades e inmune a la resistencia, a la vez que es seguro en humanos (a diferencia del alcohol o lejía, que son irresistiblemente fatales para las células humanas y las células bacterianas por igual).
Para un investigador de antibióticos, esto es como descubrir la fórmula para convertir el plomo en oro, o montar un unicornio, algo que todos quieren pero nadie cree realmente que exista, dijo James Martin, un Ph.D. de 2019. graduado que pasó la mayor parte de su carrera de posgrado trabajando en este compuesto. "Mi primer desafío fue convencer al laboratorio de que era cierto", dijo.
Pero la irresistibilidad es una espada de doble filo. La investigación típica sobre antibióticos implica encontrar una molécula que pueda matar bacterias, criar varias generaciones hasta que la bacteria desarrolle resistencia a ella, observar cómo funciona exactamente esa resistencia y usarla para realizar ingeniería inversa de cómo funciona la molécula en primer lugar.
Pero como SCH-79797 es irresistible, los investigadores no tenían nada de lo que hacer ingeniería inversa.
"Esta fue una verdadera hazaña técnica", dijo Gitai. "Ninguna resistencia es una ventaja del lado del uso, sino un desafío del lado científico".
El equipo de investigación tuvo dos enormes desafíos técnicos: tratar de probar lo negativo (que nada puede resistir a SCH-79797) y luego descubrir cómo funciona el compuesto.
Para demostrar su resistencia a la resistencia, Martin probó infinitos ensayos y métodos diferentes, ninguno de los cuales reveló una partícula de resistencia al compuesto SCH. Finalmente, probó la fuerza bruta: durante 25 días, la "pasó en serie", lo que significa que expuso las bacterias a la droga una y otra vez. Como las bacterias tardan unos 20 minutos por generación, los gérmenes tenían millones de posibilidades de desarrollar resistencia, pero no lo hicieron. Para verificar sus métodos, el equipo también pasó en serie otros antibióticos (novobiocina, trimetoprima, nisina y gentamicina) y rápidamente generaron resistencia a ellos.
Probar un negativo es técnicamente imposible, por lo que los investigadores usan frases como "frecuencias de resistencia bajas indetectables" y "resistencia no detectable", pero el resultado es que SCH-79797 es irresistible, de ahí el nombre que le dieron a sus compuestos derivados, Irresistin .
También intentaron usarlo contra especies bacterianas que son conocidas por su resistencia a los antibióticos, incluida Neisseria gonorrhoeae, que se encuentra en la lista de las 5 principales amenazas urgentes publicadas por el Centro para el Control y la Prevención de Enfermedades.
"La gonorrea plantea un gran problema con respecto a la resistencia a múltiples fármacos", dijo Gitai. "Nos hemos quedado sin medicamentos para la gonorrea. Con la mayoría de las infecciones comunes, los medicamentos genéricos de la vieja escuela aún funcionan. Cuando tuve faringitis estreptocócica hace dos años, me dieron penicilina G, ¡la penicilina descubierta en 1928! ¡Pero por N. gonorrhoeae, las cepas estándar que circulan en los campus universitarios son súper resistentes a los medicamentos. Lo que solía ser la última línea de defensa, el fármaco rompe vidrios en caso de emergencia para Neisseria, ahora es la primera línea. estándar de atención, y realmente ya no hay respaldo de vidrio roto. Por eso este es particularmente importante y emocionante que podríamos curar ".
Los investigadores incluso obtuvieron una muestra de la cepa más resistente de N. gonorrhoeae de las bóvedas de la Organización Mundial de la Salud, una cepa que es resistente a todos los antibióticos conocidos, y "Joe demostró que nuestro hombre todavía mató esta cepa", Gitai dijo, refiriéndose a Joseph Sheehan, coautor del artículo y gerente del laboratorio del laboratorio Gitai. "Estamos bastante entusiasmados con eso".
La flecha con punta de veneno
Sin resistencia a la ingeniería inversa, los investigadores pasaron años tratando de determinar cómo la molécula mata las bacterias, utilizando una gran variedad de enfoques, desde técnicas clásicas que han existido desde el descubrimiento de la penicilina hasta la tecnología de punta.
Martin lo llamó el enfoque de "todo menos el fregadero de la cocina", y finalmente reveló que SCH-79797 usa dos mecanismos distintos dentro de una molécula, como una flecha cubierta de veneno.
"La flecha tiene que ser aguda para introducir el veneno, pero el veneno también tiene que matar por sí solo", dijo Benjamin Bratton, investigador asociado en biología molecular y profesor en el Instituto Lewis Sigler de Genómica Integrativa, quien es el otro coprimer autor.
La flecha apunta a la membrana externa, atravesando incluso la gruesa armadura de las bacterias Gram negativas, mientras que el veneno destruye el folato, un componente fundamental del ARN y el ADN. Los investigadores se sorprendieron al descubrir que los dos mecanismos funcionan sinérgicamente, combinándose en más de una suma de sus partes.
"Si solo tomas esas dos mitades, hay medicamentos disponibles comercialmente que pueden atacar a cualquiera de esas dos vías, y simplemente los arrojas a la misma olla, eso no mata tan efectivamente como nuestra molécula, que los ha unido juntos en el mismo cuerpo ", dijo Bratton.
Había un problema: el SCH-79797 original eliminó células humanas y células bacterianas a niveles más o menos similares, lo que significa que, como medicamento, corría el riesgo de matar al paciente antes de matar la infección. La derivada Irresistin-16 arregló eso. Es casi 1,000 veces más potente contra las bacterias que las células humanas, por lo que es un antibiótico prometedor. Como confirmación final, los investigadores demostraron que podían usar Irresistin-16 para curar ratones infectados con N. gonorrhoeae.
Nueva Esperanza
Este paradigma de flecha envenenada podría revolucionar el desarrollo de antibióticos, dijo KC Huang, profesor de bioingeniería y de microbiología e inmunología en la Universidad de Stanford que no participó en esta investigación.
"Lo que no se puede exagerar es que la investigación con antibióticos se ha estancado durante un período de muchas décadas", dijo Huang. "Es raro encontrar un campo científico que esté tan bien estudiado y, sin embargo, necesite una sacudida de nueva energía".
La flecha envenenada, la sinergia entre dos mecanismos de ataque de bacterias, "puede proporcionar exactamente eso", dijo Huang, quien fue investigador postdoctoral en Princeton de 2004 a 2008. "Este compuesto ya es tan útil por sí mismo, pero también, las personas pueden comience a diseñar nuevos compuestos inspirados en esto. Eso es lo que ha hecho que este trabajo sea tan emocionante ".
En particular, cada uno de los dos mecanismos, la flecha y el veneno, se dirigen a procesos que están presentes tanto en bacterias como en células de mamíferos. El folato es vital para los mamíferos (razón por la cual se les dice a las mujeres embarazadas que tomen ácido fólico) y, por supuesto, tanto las bacterias como las células de los mamíferos tienen membranas. "Esto nos da muchas esperanzas, porque hay toda una clase de objetivos que la gente ha descuidado en gran medida porque pensaron: 'Oh, no puedo apuntar a eso, porque entonces también mataría al humano'", dijo Gitai. .
"Un estudio como este dice que podemos regresar y revisar lo que pensamos que eran las limitaciones en nuestro desarrollo de nuevos antibióticos", dijo Huang. "Desde el punto de vista social, es fantástico tener nuevas esperanzas para el futuro".
