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Especial Ciencia Básica ¿Cómo vencer a las superbacterias con modelos matemáticos?

Algunas bacterias infecciosas han desarrollado resistencia a los antibióticos. Los modelos matemáticos podrían ayudar a diseñar tratamientos alternativos para vencerlas.

18-06-2022

Por Liliana Morán Rodríguez, Ciencia UNAM-DGDC


La resistencia a los antibióticos es considerada una de las principales amenazas para la salud pública mundial, la seguridad alimentaria (salud animal y agricultura) y el desarrollo. 

Los antibióticos son sustancias que sirven como medicamentos para prevenir y tratar infecciones causadas por bacterias. Su trabajo es matar o frenar el crecimiento de las mismas; el problema actual es que están dejando de ser efectivos; lo cual pone en riesgo los avances de la medicina moderna.

El problema es de tal magnitud, que la Organización Mundial de la Salud (OMS) aprobó en mayo de 2015 un plan de acción mundial sobre la resistencia a los antimicrobianos (RAM), incluida la resistencia a los antibióticos. 

Un año después, en Asamblea General de la Organización de las Naciones Unidas (ONU), los Jefes de Estado se comprometieron a abordar de forma amplia y coordinada las causas profundas de la RAM en diferentes sectores con el fin de seguir previniendo y tratando enfermedades infecciosas por medio de medicamentos eficaces y seguros.

Tan sólo en el año 2019 se contabilizaron alrededor de 4.9 millones de muertes asociadas a la resistencia antimicrobiana y 1.27 millones de muertes directas en todo el mundo.

Para 2050 se estimaba que subiera a 10 millones por año, “pero podrían ser muchas más porque la actual pandemia de la COVID-19 agravó el problema”, declaró la doctora María Jiménez Martínez, académica de la Facultad de Medicina de la UNAM. 

¿De dónde vienen los antibióticos?

“La mayoría de los antibióticos se producen en dosis muy bajas de forma natural por microorganismos y hongos que viven principalmente en el suelo. Para usarlos en la clínica, el compuesto se aísla, se purifica y se usa en altas dosis para que funcione”, explica la doctora Ayari Fuentes Hernández, investigadora del Centro de Ciencias Genómicas de la UNAM. 

Tal es el caso de la penicilina, el primer antibiótico en ser descubierto en el año 1928 por Alexander Fleming. Cuando el hongo Penicillium notatum entró en contacto con su placa de Petri donde estudiaba colonias de bacterias, estas dejaron de crecer; la contaminación accidental permitió descubrir que esta sustancia era capaz de matar a muchas bacterias comunes y podría tener usos medicinales. 

Una odisea para la ciencia fue lograr aislar la penicilina como un compuesto terapéutico y desarrollar en masa grandes cantidades del medicamento. Este trabajo les tomó varios años (hasta 1943) y una guerra mundial de por medio a los científicos Ernst Chain y Howard Florey, quienes lograron interesar a las autoridades estadounidenses de poder contar con un fármaco que pudiera tratar a los heridos de la segunda guerra mundial.

Estos hallazgos iniciaron la era de los antibióticos y cambiaron el rumbo de la medicina y la salud mundial. En 1945, Fleming, Chain y Florey ganaron el Premio Nobel de Medicina. 

Penicilinas, sulfamidas, fluoroquinolonas y cefalosporinas son algunos ejemplos de los muchos tipos de antibióticos que se usan clínicamente y actúan diferente sobre algunas bacterias causantes de enfermedades como tuberculosis, escherichia coli, meningitis, tétanos, tifoidea, entre muchas otras que pueden ser mortales si no logran controlarse. 


  • Más del 70% de las bacterias patógenas que causan infecciones hospitalarias son resistentes a múltiples antibióticos. OMS


¿Cómo llegamos al punto de la resistencia a los antibióticos?

Cuando las bacterias evaden los mecanismos de acción de los antibióticos, se considera que han logrado crear resistencia. Cuando esto sucede, las bacterias resistentes siguen causando la infección, cuando resisten a varios tipos de antibióticos se les considera “superbacterias” por ser multirresistentes.

  • Cada año, 480 000 personas presentan Tuberculosis multirresistente. (OPS)

La multirresistencia es particularmente grave cuando el paciente se encuentra hospitalizado, en estado crítico o en peligro de muerte porque no logran parar la infección que puede comprometer a todo el sistema y a los órganos vitales.

"Así como existen diferentes tipos de antibióticos, los mecanismos de resistencia también son diversos. Por ejemplo hay varios organismos que secretan enzimas para degradar el antibiótico; otra forma son las bombas de flujo, las cuales son proteínas que transportan activamente moléculas de antibiótico desde dentro de la célula al exterior, disminuyendo la concentración interna del antibiótico; también puede haber cambios en la permeabilidad de la membrana que hacen que el antiobiótico ya no pueda entrar a la célula, entre otros”.

Nos dice la doctora Ayari Fuentes, quien estudió las estrategias secuenciales del uso de antibióticos en la evolución de la resistencia, en su postdoctorado en el Departamento de Biociencias de la Universidad de Exeter, Inglaterra.

Las causas de la resistencia pueden ser muy variadas, se cree que una de las más importantes es el exceso de prescripción de antibióticos en infecciones que no siempre son bacterianas, la automedicación y que los usuarios no sigan el tratamiento como se indica hasta el final.

El abuso de antibióticos no sólo ocurre en los seres humanos, también los aplican en los animales y otros alimentos que consumimos. De la misma forma, la farmacorresistencia que dificulta el tratamiento de infecciones puede transmitirse entre personas, animales, plantas y contaminar el medio ambiente. 

El Grupo de Liderazgo Mundial sobre la Resistencia a los Antimicrobianos de la OMS ha advertido que se han encontrado bacterias multirresistentes en las aguas marinas y en los sedimentos cercanos a los lugares donde se vierten desechos de la acuicultura, las industrias y los asentamientos urbanos. De ahí, que la actual crisis climática también aumente el problema de la resistencia.



Ciencia básica y bacterias

Un gran desafío en el problema de la resistencia a los antibióticos es que no se están generando nuevos y los que tenemos ya no están sirviendo del todo.

“Se está generando conocimiento para entender más sobre las combinaciones entre antibióticos, cuáles son buenas y cuáles son perjudiciales para poder diseñar mejores tratamientos. No es que de toda esta ciencia básica se haga un salto inmediato a la clínica, pero finalmente toda la tecnología requiere de la base y el diseño que se hace en ciencia básica”, aclara la investigadora.

“El desarrollo de las ciencias básicas es sostenible por excelencia: de generación en generación, construye un acervo de conocimientos que las próximas generaciones podrán aplicar a los problemas a los que tendrán que enfrentarse, y que quizás hoy no conozcamos”. Unesco

Este 2022, la Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (Unesco) lo propuso como el Año Internacional de las Ciencias Básicas para el Desarrollo Sostenible en el que busca resaltar los vínculos de las contribuciones de las ciencias básicas con el alcance de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) adoptados en 2015 por los países miembros de la ONU.

Entre los retos se encuentra garantizar la Salud y bienestar (ODS 3). Se cree que dependerá de los conocimientos de la biología fundamental con la preservación y estudio de la Vida en la Tierra (ODS 15).

Justamente, una de las grandes preocupaciones de la resistencia a los antibióticos es la capacidad que han tenido las bacterias de sobrevivir a los tratamientos y propagar los genes de resistencia a otras generaciones e incluso transmitirlos a otras organismos horizontalmente, con efectos adversos para la farmacología y la salud.

La doctora Ayari Fuentes estudió Física en la Facultad de Ciencias de la UNAM, realizó estudios doctorales en el Departamento de Matemáticas del Imperial College London y el Departamento de Biología de la Universidad de Bath postulando modelos matemáticos de comportamiento cooperativo en poblaciones de microbios.

El enfoque del Laboratorio de Biología de Sistemas y Biología Sintética, en el Centro de Ciencias Genómicas de la UNAM, es combinar modelos matemáticos, evolución experimental y técnicas de microfluídica para estudiar el efecto de las bacterias y antibióticos en diferentes escalas de tiempo y ambientes.

“Las matemáticas son una perfecta abstracción para intentar probar hipótesis de cosas que son esenciales en los procesos, sin tener que incluir toda la complejidad inherente de la biología, de las bacterias mismas. Muchas veces los modelos matemáticos nos informan de tendencias, hacia dónde podría ir o hacia dónde está la respuesta de las cosas que queremos hacer en la práctica experimental”.

La especialista en biomatemáticas explica que hay teoría matemática que ya ha sido desarrollada, por ejemplo, la basada en modelos de genética de poblaciones que predicen crecimiento bacteriano, y ahora también se construyen modelos teóricos y experimentales en los que analizan a las bacterias en distintos contextos en la presencia de antibióticos.

“Con modelos teóricos podemos aplicar hipótesis que podrían ser difíciles en modelos experimentales, por ejemplo el apagar ciertos genes, o hacer miles de repeticiones de un experimento, y ver si esto influye en la resistencia a los antibióticos”.

Entender las dinámicas de las poblaciones de bacterias podría ayudar a diseñar mejores tratamientos con antibióticos u otra forma de vencer a las bacterias que causan las infecciones y enfermedades que tanto nos preocupan en la preservación de la salud.


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