Resistencia a los aminoglucósidos - RedEMC

Resistencia a los

aminoglucósidos

Marcelo TolmaskyCalifornia State University, Fullerton

EE.UU.

Aminoglucósidos

N.T. Chandrika y S. Garneau-Tsodikova, MedChemComm, 2016, 7, 50-68.

M. S. Ramirez y M. E. Tolmasky, Drug Resist Updat, 2010, 13, 151-171.

J. L. Houghton, K. D. Green, W. Chen y S. Garneau-Tsodikova, Chembiochem, 2010, 11, 880-902

• De origen natural o semisintético

• Familia compleja de compuestos caracterizados por tener

un anillo aminociclitol (estreptamina, 2-deoxiestreptamina o

estreptidina) unido a aminoazúcares por enlaces

glucosídicos

• Las excepciones son la espectinomicina, un aminociclitol

que no se une a aminoazúcares, y los compuestos que

incluyan el aminociclitol fortimicina

estreptamina 2-deoxiestreptamina estreptidina

Aminoglucósidos• De origen natural o semisintético

• Familia compleja de compuestos caracterizados por tener

un anillo aminociclitol (estreptamina, 2-deoxiestreptamina o

estreptidina) unido a aminoazúcares por enlaces

glucosídicos

• Las excepciones son la espectinomicina, un aminociclitol

que no se une a aminoazúcares, y los compuestos que

incluyan el aminociclitol fortimicina

estreptamina 2-deoxiestreptamina estreptidina




Aminoglucósidos

amikacina

Disustituidos 4,6 2-deoxiestreptamina

Disustituidos 4,5 2-

deoxiestreptamina

paromomicina

kanamicina

Aminoglucósidos

amikacina



deoxiestreptamina

paromomicina

kanamicina

Aminoglucósidos

amikacina



deoxiestreptamina

paromomicina

kanamicina

Aminoglucósidos




• Principalmente usados en el tratamiento de infecciones causadas por

bacilos Gram negativos aerobios

• También utilizados contra Gram positivos, generalmente en

combinación con otros antibióticos, como los beta-lactámicos o la

vancomicina

• La absorción requiere de una cadena de transporte de electrones

funcional, por eso, los anaerobios tienden a no ser susceptibles a

dichos antibióticos

• La vía de administración más común en infecciones sistémicas es la

parenteral, la inyección intramuscular, o la intravenosa, en casos de

infecciones graves

Aminoglucósidos




• Las reacciones adversas más comunes son la

nefrotoxicidad y la ototoxicidad. La nefrotoxicidad es

generalmente reversible y la presentación clínica más

común es la insuficiencia renal aguda no oligúrica

• Las reacciones de ototoxicidad incluyen la pérdida auditiva

neurosensorial permanente bilateral severa de alta

frecuencia y la hipofunción vestibular temporal

Aminoglucósidos




• Interfieren con la fidelidad de la traducción

• No todas las clases de aminoglucósidos se unen a sitios

idénticos del ARNr 16S. Sin embargo, el efecto común de

su unión es un cambio de conformación del sitio ribosomal

A, que elimina las capacidades de corrección del ribosoma

y, como consecuencia, propicia una mala traducción

• Con unas pocas excepciones (espectinomicina y

kasugamicina), los aminoglucósidos son bactericidas

Resistencia a los aminoglucósidos

• Hay varios mecanismos de resistencia que pueden existir

simultáneamente en la misma célula

– Modificación de la diana por la mutación del ARNr 16S o de

proteínas ribosomales

– Metilación del ARNr 16S

– Disminución de la permeabilidad mediante la modificación de la

permeabilidad de la membrana externa o la disminución de

transporte en la membrana interna

– Expulsión de la célula por bombas de eflujo activas

– Inactivación enzimática de la molécula antibiótica

– Otros (swarming, enlaces fuertes de enzimas no funcionales)


E. coli

rpsL = mutación en proteína ribosomal S12 que transmite la resistencia a la estreptomicina; también llamada

strA, rpsL135(strR), strA135

AB1157

thr-1, araC14, leuB6(Am), Δ(gpt-proA)62, lacY1, tsx-33, qsr'-0, glnV44(AS), galK2(Oc), LAM-, Rac-0, hisG4(Oc),

rfbC1, mgl-51, rpoS396(Am), rpsL31(strR), kdgK51, xylA5, mtl-1, argE3(Oc), thi-1

CSH50

F- λ- ara Δ(lac-pro) rpsL thi fimE::IS1

DH10B (Invitrogen)

F– endA1 deoR+ recA1 galE15 galK16 nupG rpsL Δ(lac)X74 φ80lacZΔM15 araD139 Δ(ara,leu)7697 mcrA

Δ(mrr-hsdRMS-mcrBC) StrR λ–

E. cloni(r) 10G (Lucigen)

F- mcrA Δ(mrr-hsdRMS-mcrBC) endA1 recA1 Φ80dlacZΔM15 ΔlacX74 araD139 Δ(ara,leu)7697 galU galK rpsL

nupG λ- tonA

EPI300 (Epicentre)

F– λ– mcrA Δ(mrr-hsdRMS-mcrBC) Φ80dlacZΔM15 Δ(lac)X74 recA1 endA1 araD139 Δ(ara, leu)7697 galU galK

rpsL (StrR) nupG' trfA dhfr

Modificación de la diana por la mutación del ARNr 16S o de

proteínas ribosomales


Mycobacterium tuberculosis

Cinco cepas de M. tuberculosis individualmente resistentes a la

estreptomicina tienen mutaciones en puntos idénticos en el codón 43 del

gen rpsL (Arg43Lys). Las mutaciones en este mismo sitio confieren

resistencia a la estreptomicina en la Escherichia coli.

La misma mutación fue hallada en otras bacterias.

Modificación de la diana por la mutación del ARNr 16S o

de proteínas ribosomales

J. Nair, D. A. Rouse, G. H. Bai y S. L. Morris, Mol. Microbiol., 1993, 10, 521-527


Pasteurella multocida

Las cepas de P. multocida con un alto nivel de resistencia a la

espectinomicina tienen una transversión de C1192G en el ARNr 16S en

todos los seis, o en cinco de los seis operones de ARNr y/o dos tipos

diferentes de supresiones de 3-bp en el gen rpsE que codifica para la

proteína ribosomal S5

Modificación de la diana por la mutación del ARNr 16S o

de proteínas ribosomales

C. Kehrenberg and S. Schwarz, Antimicrob. Agents Chemother., 2007, 51, 2244-2246.


El ribosoma bacteriano consiste de múltiples proteínas y componentes de

ARN y consta de las subunidades 30S y 50S. La 30S contiene el ARNr 16Sy

la 50S contiene los ARNr 23S y 5S. Los eventos de modificación

postranscriptivos de moléculas de ARN incluyen la metilación de nucleósidos.

En el caso del ARNr de la Escherichia coli, hay 10 residuos metilados en el

ARNr 16S y 14 en el ARNr 23S. Se cree que las principales funciones de la

metilación de ARNr incluyen la modulación de la maduración de ARNr, la

estabilización de las estructuras de ARNr y la alteración de las tasas de

transcripción.

En la Escherichia coli, el ARNr 16S es modificado por 10 metiltransferasas

endógenas y una pseudouridina sintetasa.

Además, se ha visto que algunos eventos de metilación postranscriptivos,

mediados por metiltransferasas adquiridas, confieren resistencia a los

antibióticos que tienen como blanco el ARNr.

Metilación del ARNr 16S

Y. Doi y Y. Arakawa, Clin. Infect. Dis., 2007, 45, 88-94.


La metilación del ARNr 16S es un mecanismo de resistencia contra aminoglucósidos que se

encuentra entre patógenos Gram negativos que pertenecen a la familia de las especies

Enterobacteriaceae, así como también a las Pseudomonas aeruginosa y Acinetobacter.

Las metiltransferasas ARNr 16S comparten una modesta similitud con aquellas producidas por los

actinomicetos productores de aminoglucósidos.

Confieren un alto nivel de resistencia a todos los aminoglucósidos administrados parenteralmente

que están en uso clínico en la actualidad.

La codificación de genes de las metiltransferasas del ARNr 16S se encuentran, por lo general, en

los transposones dentro de los plásmidos transferibles, lo cual los hace sumamente móviles.

En 2002, se reportó la primera metiltransferasa no actinomiceta codificadora de genes ARNr 16S,

más adelante designada "ArmA", como parte de una secuencia de plásmidos de Citrobacter

freundii en Polonia (número de registro AF550415). El mismo gen fue más tarde encontrado en una

cepa de Klebsiella pneumoniae en Francia.

En 2003, se reportó que una cepa clínica de Pseudomonas aeruginosa resitente a

aminoglucósidos, en Japón, producía una metiltransferasa de ARNr 16S, designada RmtA, que

confería un alto grado de resistencia en todas las desoxiestreptaminas, disustituidos 4,6, como la

gentamicina, la tobramicina y la amikacina, a bacterias cuando se expresa desde un clon

recombinante.

Luego, se encontraron numerosas metitransferasas de ARNr 16S en cepas Gram negativas.


Y. Doi y Y. Arakawa, Clin. Infect. Dis., 2007, 45, 88-94.

A. A. Beauclerk y E. Cundliffe, J. Mol. Biol., 1987, 193, 661-671.


Se reportaron diez metiltransferasas de ARNr 16S adquiridas de patógenos

Gram negativos.

La mayoría metilan, postranscripcionalmente, residuos G1405 de ARNr 16S,

lo cual genera un alto nivel de resistencia a la gentamicina, tobramicina,

amikacina y plazomicina.

Los dos tipos de metiltransferasas de resistancia tienen una distribución

contrastante: la ArmA, y, en menor grado, las enzimas Rmt, están

expandidas por todo el mundo, mientras que, hasta la fecha, solo se reportó

una única cepa de NpmA que producía Escherichia coli.


Y. Doi, J. Wachino y Y. Arakawa, Infect. Dis. Clin. North Am., 2016, 30, 523-537.

V. S. Lioy, S. Goussard, V. Guerineau, E. J. Yoon, P. Courvalin, M. Galimand y C. Grillot-Courvalin, RNA,

2014, 20, 382-391.


D. L. MacLeod, L. E. Nelson, R. M. Shawar, B. B. Lin, L. G. Lockwood, J. E. Dirk, G. H. Miller, J. L.

Burns and R. L. Garber, J. Infect. Dis., 2000, 181, 1180-1184.

No está muy bien definida.

“Cuando la susceptibilidad a los 12 aminoglucósidos

se disminuía, algo que ninguna enzima conocida

puede hacer, el mecanismo de resistencia fue definido

operativamente como “impermeabilidad”.

Disminución de la permeabilidad mediante la modificación de la

permeabilidad de la membrana externa o la disminución de

transporte en la membrana interna


H. Nikaido, Annu. Rev. Biochem., 2009, 78, 119-146.

S. Magnet, P. Courvalin y T. Lambert, Antimicrob. Agents Chemother., 2001, 45, 3375-3380.

.

Los sistemas de eflujo se encuentran, comúnmente, en microorganismos

y confieren resistencia a antibióticos y otros compuestos tóxicos cuando

bombean el químico no deseado fuera de la célula.

Los transportadores multidroga pueden subdividirse en distintas familias.

La resistencia-nodulación-división celular (RND) es una de esas familias,

y se descubrió que las bombas de eflujo que pertenecen a esta familia

son las causantes de la resistencia a los aminoglucósidos Burkholderia

pseudomallei, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli y Acinetobacter

baumannii.

La familia de eflujo RND media la externalización de los compuestos

tóxicos de la célula en un intercambio conjunto con protones.

Junto con la impermeabilidad de membrana, se la conoce como

“resistencia intrínseca”.

Expulsión de la célula por bombas de eflujo activas


M. S. Ramirez and M. E. Tolmasky, Drug Resist Updat, 2010, 13, 151-171.

Mayormente prevalente en el marco clínico.

Las enzimas que modifican los aminoglucósidos catalizan la

modificación en grupos –OH o –NH2 de núcleo de 2-

desoxiestreptamina o de grupos de azúcares y pueden ser

acetiltransferasas (AAC), nucleotidiltransferasas (ANT) o

fosfotransferasas (APH).

La combinación de la generación de nuevas variantes de enzimas en

desarrollo, que pueden utilizar una cantidad cada vez mayor de

aminoglucósidos como sustratos, con la habilidad de los genes

codificadores de transferirse, a nivel molecular, como parte de

integrones, casetes génicos, transposones o elementos integradores

conjugativos y, a nivel celular, a través de la conjugación, como parte

de plásmidos movibles o conjugativos, y de la transformación natural o

transducción, genera en este mecanismo de resistencia la habilidad de

afectar prácticamente a todas las células bacterianas.

Inactivación enzimática de la molécula antibiótica





M. S. Ramírez y M. E. Tolmasky, Drug Resist Updat, 2010, 13, 151-171.


Existen centenares de enzimas.

Algunas son bifuncionales.

En un caso, el espectro cruzó la clase de antibiótico y se volvió

capaz de acetilar quinolona (AAC(6’)-Ib-cr).

Localización de genes en cromosomas y elementos genéticos

móviles.



-el futuro-

J. L. Houghton, K. D. Green, W. Chen y S. Garneau-Tsodikova, Chembiochem, 2010, 11, 880-902.


K. J. Labby y S. Garneau-Tsodikova, Future Med. Chem., 2013, 5, 1285-1309.

N. T. Chandrika y S. Garneau-Tsodikova, MedChemComm, 2016, 7, 50-68.

• Desarrollo de nuevos aminoglucósidos

– Incorporación de nuevos grupos a grupos hidroxilos o

aminos en diferentes posiciones dentro de estructuras

existentes.

– Dímeros

– Conjugados a pequeñas moléculas o lípidos

– La ACHN-490 o plazomicina es un ejemplo de un nuevo

aminoglucósido recientemente desarrollado.


-el futuro-

• Recuperar aminoglucósidos perdidos debido a la

resistencia

– Inhibición de expresión de enzimas modificadoras de

aminoglucósidos

tecnologías antisentido para interferir con la expresión génica

– Inhibición de la actividad enzimática

pequeñas moléculas identificadas por análisis

computacionales o bibliotecas combinatorias

– Protección de los sustratos de aminoglucósidos

complejos catión-ionóforos

J. L. Houghton, K. D. Green, W. Chen y S. Garneau-Tsodikova, Chembiochem, 2010, 11, 880-902.


A. J. Soler Bistue, F. A. Martin, N. Vozza, H. Ha, J. C. Joaquin, A. Zorreguieta y M. E. Tolmasky, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2009, 106, 13230-13235.

K. Chiem, S. Jani, B. A. Fuentes, D. L. Lin, M. E. Rasche y M. E. Tolmasky, MedChemComm, 2016, 7, 184-189.

K. Chiem, B. A. Fuentes, D. L. Lin, T. Tran, A. Jackson, M. S. Ramírez y M. E. Tolmasky, Antimicrob. Agents Chemother., 2015, 59, 5851-5853.

D. L. Lin, T. Tran, C. Adams, J. Y. Alam, S. R. Herron y M. E. Tolmasky, Bioorg. Med. Chem. Lett., 2013, 23, 5694-5698.

D. L. Lin, T. Tran, J. Y. Alam, S. R. Herron, M. S. Ramírez y M. E. Tolmasky, Antimicrob. Agents Chemother., 2014, 58, 4238-4241.

Y. Li, K. D. Green, B. R. Johnson y S. Garneau-Tsodikova, Antimicrob. Agents Chemother., 2015, 59, 4148-4156.

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