Fagos en la granja: ¿Pueden estos pequeños virus ayudarnos a superar la resistencia a los antibióticos?

En la imagen: La organización Phages for Global Health capacita a investigadores locales para encontrar fagos útiles en su región al ver cómo las placas recubiertas de bacterias responden a las muestras tomadas del suelo, las granjas y el agua en el área. Crédito: Martha Clokie

 

En 2013, Tobi Nagel puso fin a una búsqueda de una década en el país de Georgia. Los científicos locales con los que estaba impartiendo un taller hablaron maravillas sobre un medicamento omnipresente de venta libre. En las farmacias, junto con los antibióticos convencionales, los consumidores de Georgia tenían otra opción: soluciones de bacteriófagos, pequeños virus que pueden infiltrarse en las bacterias y destruirlas desde el interior.

En ese momento, Nagel ejercía de consultora en países de ingresos más bajos —un trabajo paralelo a su trabajo como científica en desarrollo de medicamentos en la industria farmacéutica— y constantemente buscaba formas rentables de producir medicamentos. “Era inquietante vivir en dos mundos, desarrollar un fármaco en Estados Unidos cuya fabricación podría costar mil millones de dólares, mientras trabajaba con personas de países en desarrollo que nunca podrían acceder a ese fármaco”, dice Nagel. "Cuando supe sobre los fagos, me di cuenta al instante de que se trata de una tecnología barata".

Los virus, considerados la entidad biológica más prevalente en la Tierra, se han utilizado como tratamientos para infecciones bacterianas en Europa del Este desde la Segunda Guerra Mundial. Más importante para Nagel, eran una alternativa asequible a los antibióticos corrientes.

Entonces, en 2014, Nagel comenzó a trabajar en lo que eventualmente se convertiría en Phages for Global Health (PGH), una organización sin fines de lucro que tiene como objetivo llevar los fagos y el conocimiento para usarlos a África y Asia.

 

Organizaciones como PGH y algunas empresas emergentes ven una incursión para los fagos en la producción ganadera y alimentaria, sectores en los que el costo relativamente bajo de obtener la aprobación y la fabricación de tratamientos con fagos mantendría los precios competitivos con los de los antibióticos y podría traer nuevas herramientas para combatir las bacterias. a los agricultores rápidamente.

Los virus podrían hacer que los agricultores de todo el mundo dependan menos de los antimicrobianos de molécula pequeña y dar a los humanos un arma muy necesaria contra las infecciones resistentes a los antibióticos. Los químicos e ingenieros todavía están jugando con diferentes formulaciones, tratando de descubrir cómo se vería un producto de fagos y cómo extender la vida útil de los fagos, y después de todo eso, los agricultores acostumbrados a los antibióticos convencionales deben estar convencidos de cambiar a la nueva tecnología. .

UNA ALTERNATIVA NECESARIA

Campylobacter, una bacteria con forma de sacacorchos, mide solo unos pocos micrómetros de largo, pero ocupa un lugar preponderante en Kenia. Junto con Shigella y Salmonella, la bacteria transmitida por los alimentos es una de las principales causas de enfermedades diarreicas del país, que en 2019 mató a más de uno de cada 1.000 niños menores de 5 años, según estimaciones de Global Burden of Disease.

Las infecciones de Campylobacter a menudo se remontan a pollos vivos. Si, entre el sacrificio y la venta, los cadáveres de aves no se refrigeran, se convierten en un excelente caldo de cultivo para las bacterias. Y cuando un consumidor desafortunado come carne que contiene Campylobacter y desarrolla una infección, esa persona tiene una opción cada vez menor de antibióticos efectivos, porque las cepas resistentes de la bacteria son frecuentes en Kenia. Un estudio de 2016 en el país encontró Campylobacter en más del 90% de los pollos y su estiércol, y al menos el 61% de las muestras cultivadas eran resistentes a múltiples fármacos .

 

 

El escaso acceso a la refrigeración en Uganda puede provocar el crecimiento de bacterias en la carne. Muchos carniceros pretenden vender sus productos dentro de las 24 h posteriores al sacrificio. Crédito: Tobi Nagel

 

Un culpable de esa resistencia: los agricultores, que usan antibióticos generosamente para prevenir infecciones o para tratar inútilmente enfermedades no diagnosticadas que ni siquiera son de origen microbiano. También usan los medicamentos para promover el crecimiento; en lugar de gastar calorías para evitar una infección, el animal puede usar su energía para desarrollar huesos y músculos rentables.

"Cuando un granjero observa el valor monetario del animal, hará cualquier cosa para que el animal sobreviva", dice Jesca Nakavuma, microbióloga y autodenominada cazadora de fagos en la Universidad de Makerere en Uganda. La tentación de abusar de los antibióticos ha existido durante mucho tiempo en todo el mundo, tanto que la Unión Europea y los EE. UU. Han prohibido el uso de los medicamentos en las granjas para prevenir enfermedades y promover el crecimiento.

Pero los antibióticos son una herramienta contundente que erradica todo tipo de bacterias buenas y malas. A largo plazo, su uso excesivo hace que las bacterias se vuelvan más fuertes y más difíciles de matar con los medicamentos existentes, creando un vacío terapéutico que las compañías farmacéuticas están luchando por llenar .
Es por eso que Nakavuma colabora con PGH para identificar fagos útiles y, finalmente, lograr que los agricultores y los médicos los utilicen como tratamiento complementario a los antibióticos.

A diferencia de los antibióticos, los fagos son como un bisturí. Han evolucionado junto con las bacterias en su región y están diseñados para atacar microbios específicos, lo que permite que otros prosperen. Según los investigadores de fagos, el uso excesivo de fagos en la agricultura no debería ser un problema porque, en teoría, son autodosificantes y autolimitantes: un agricultor necesitaría proporcionar la cantidad suficiente de virus para permitirles llegar a sus bacterias objetivo en el interior. , digamos, el intestino delgado de un animal. Una vez allí, los virus pueden reproducirse y crear una población autosuficiente. Esa población infecta, se multiplica dentro y finalmente rompe las bacterias hasta que mueren en gran medida. Entonces, la población de fagos también se agota.

Y aunque los fagos y los antibióticos matan las bacterias, la forma en que las bacterias desarrollan resistencia a los dos es diferente. La resistencia a los antibióticos ocurre de varias maneras: las bacterias desarrollan proteínas para bombear antibióticos fuera de sus células, o desarrollan una enzima que puede desactivar químicamente la molécula del antibiótico, entre otras estrategias. La resistencia luego se amplifica cuando las bacterias sobrevivientes se encuentran y comparten el ADN que usaron para evadir el antibiótico.

Los fagos, por otro lado, son objetivos móviles. Mutan al paso de las bacterias, cambiando demasiado rápido para que las bacterias eliminen la amenaza simplemente compartiendo sus mecanismos de defensa.

 

Sin embargo, algunas defensas contra los fagos proporcionan una resistencia más permanente. Por ejemplo, ciertas bacterias guardan fragmentos de ADN de fagos en su genoma para que luego puedan reconocer y atacar un virus en función de características clave. Pero debido a que esos registros de ADN tardan mucho en desarrollarse, un virus podría haber evolucionado a partir de esa secuencia genética para cuando las bacterias la compartan entre sí. Además de eso, la cadena de registros no es infinitamente larga, por lo que para seguir captando nuevas secuencias, las bacterias deben olvidarse de otras. “Las bacterias no desarrollan resistencia a los fagos y se comparten entre sí de la misma manera” que cuando desarrollan resistencia a los antibióticos, dice Paul Turner, biólogo de la Universidad de Yale y cofundador de la nueva empresa terapéutica de fagos Felix Biotechnology. "Simplemente no sucede".

CAZADORES DE FAGOS, GUARDIANES DE FAGOS

Los antibióticos nuevos no crecen en los árboles. Requieren cientos de millones de dólares para descubrir, modificar y, en última instancia, fabricar en instalaciones que cumplen con el código. Pero los fagos crecen donde se encuentran las bacterias: en el suelo y el agua y dentro de los animales. Ahí es donde los investigadores de fagos buscan a sus candidatos.

Para desarrollar tratamientos con fagos que funcionen mejor, los expertos intentan recolectar virus del medio ambiente local, donde hay muchas bacterias para cebarlos, como en las aguas residuales, el estiércol y la escorrentía del corral.

 

Los científicos en un taller de Phages for Global Health en Uganda en 2017 examinan cultivos bacterianos, una actividad que los instructores determinaron que no requería protección para los ojos. Crédito: Martha Clokie

 

Al recolectar estos virus salvajes, Nakavuma espera ensamblar una biblioteca de fagos regional. Se han desarrollado tipos específicos de fagos para matar solo un subconjunto de las especies de bacterias que encuentran en la naturaleza. Una vez que los biólogos descubren qué virus crecen junto con bacterias problemáticas en cultivo, secuencian el genoma de ese virus y lo agregan a una biblioteca, donde se mantendrá. Más adelante, cuando el ganado en una región esté plagado de un patógeno emergente, se contará con la experiencia y la infraestructura necesarias para implementar un cóctel de fagos a medida, un enfoque similar a ajustar la vacuna anual contra la influenza para atacar las cepas virales circulantes. En este modelo, los tratamientos con fagos funcionan mejor cuando los virus se controlan y curan de forma centralizada.

Pero una vez retirados de su hábitat, los fagos se vuelven un poco quisquillosos. Una gran razón por la que los antibióticos todavía dominan las granjas es que son baratos y no se pueden almacenar. Los fagos pueden ser más frágiles: sin bacterias de las que alimentarse, se vuelven inactivos a temperatura ambiente. Ese es un problema para los agricultores que no tienen refrigeradores que puedan mantener litros y litros de solución de fagos a 4 ° C.

 

Así que la búsqueda está en marcha para encontrar una manera de secar esas soluciones y bloquear los fagos en un estado sólido que no requiera almacenamiento en frío. PGH se ha asociado con ingenieros para idear formas de hacer precisamente esto. Reinhard Vehring de la Universidad de Alberta está trabajando con PGH para perfeccionar los procesos de secado por pulverización para hacer polvos cargados con fagos anti- Campylobacter ( Microorganisms 2020, DOI: 10.3390 / microorganisms8020282 ).

Cuando se trata de hacer polvos a partir de líquidos, el secado por aspersión (rociar un aerosol y secarlo rápidamente con un gas caliente) ha sido durante mucho tiempo un método de referencia para producir toneladas de producto por hora. Así es como se elabora la leche en polvo a gran escala. Pero los fagos no son leche; están construidos a partir de complejos de proteínas que deben permanecer intactos o, de lo contrario, los virus no podrán replicarse una vez rehidratados.

Para mantener seguros los fagos en polvo, el laboratorio de Vehring tomó prestada una estrategia de la planta de resurrección Selaginella lepidophylla , que puede permanecer sin agua durante varios años. A medida que se seca, la planta coloca moléculas de azúcar en lugar de moléculas de agua unidas por hidrógeno que mantienen la estructura de su maquinaria celular, creando el llamado vidrio de azúcar. Cuando llueve, la planta vuelve a la vida cuando el agua llena sus células nuevamente.

 

Para imitar ese proceso, los investigadores agregan el azúcar trehalosa a sus suspensiones de fagos antes de secarlas por atomización. Vehring dice que una teoría es que las moléculas de trehalosa encierran y estabilizan los fagos. Los virus tratados con trehalosa pueden mantenerse cómodos y estables a temperatura ambiente durante meses, posiblemente un año. Simplemente agregue agua y los fagos estarán listos para atacar nuevamente las cepas de Campylobacter.

Otros grupos están tratando de sellar sus fagos de una manera diferente. Nicholas Svitek, científico senior del Instituto Internacional de Investigación Ganadera (ILRI), trabaja en Kenia combatiendo la Salmonella en animales. Una de las iniciativas del ILRI es el desarrollo y la promoción de prácticas ganaderas sostenibles y escalables que podrían limitar la resistencia a los antibióticos. El equipo del instituto está explorando inicialmente enfoques para la encapsulación de fagos, en los que los virus se acorralan en partículas micro y nanoescalares de polisacáridos o sílice, dice Svitek.

Los materiales de encapsulación como el alginato mezclado con el polisacárido quitosano básico pueden proteger a los fagos no solo del ambiente exterior durante el almacenamiento, sino también de los estómagos ácidos de los animales, lo que resulta útil si los fagos necesitan navegar a través del estómago para llegar a las bacterias que prosperan en el intestino. El plan es que estos polvos secos y encapsulaciones se administren como aditivo para piensos o en agua.
Yendo un paso más allá, Fixed Phage, una empresa emergente con sede en Escocia, está colocando fagos en los alimentos. Actualmente, la empresa está afinando los gránulos de alimento para peces que tienen fagos adheridos a sus superficies.

 

Fixed Phage considera que el alimento pretratado es un producto de venta directa que podría ser más sencillo de usar para los agricultores. “En términos de cumplimiento, eso es mucho mejor que tener una jarra que mantenemos a 4 grados que tienen que sacar del frigorífico, utilizar de inmediato, recordar utilizar la cantidad adecuada y volver a poner en el frigorífico sin dejarla fuera. durante demasiado tiempo ”, dice Jason Clark, director científico de la empresa.

Para anclar virus en gránulos de alimentos, Fixed Phage aprovecha un proceso que se usa habitualmente para hacer que la tinta se adhiera al plástico. La empresa procesa los gránulos bajo descarga en corona (pequeños chorros de plasma que ionizan una superficie) y los rocía rápidamente con soluciones de fagos. A medida que la solución se seca, los virus se adhieren a los gránulos ionizados y pueden almacenarse durante meses a temperatura ambiente sin perder su infectividad. La compañía está realizando pruebas de campo de su alimento para ver cómo se manejan los fagos en el mundo real.

LLEGAR A NIVEL LOCAL

 

Evans Agbemafle dirigió un grupo de enfoque el año pasado para los acuicultores de Ghana para discutir las posibles aplicaciones de los fagos. Crédito: Proyecto SafeFish — Ghana

 

En octubre pasado, Evans Agbemafle estaba enmascarado frente a una sala llena de piscicultores en el este de Ghana. Detallaba los beneficios de los fagos e intentaba disipar las preocupaciones de los agricultores.

Agbemafle, científico investigador del Consejo de Investigación Científica Industrial (CSIR) del gobierno de Ghana, es uno de los investigadores coprincipales que contribuyen a SafeFish, que tiene como objetivo resolver el problema de la muerte de peces en Uganda y el floreciente sector de la acuicultura de Ghana. Con $ 1 millón en financiamiento de la Unión Africana y la Comisión Europea el año pasado, los científicos de SafeFish están comenzando el lento proceso de revisar el suelo local, el estiércol, la escorrentía y el contenido intestinal de los peces para que eventualmente puedan purificar y caracterizar el población de fagos del área.

 

Los investigadores preferirían utilizar fagos locales, pero la falta de equipos sofisticados de secuenciación de genes y de bioinformáticos para analizar los datos genéticos en Ghana son obstáculos importantes. Por lo tanto, Agbemafle y Nakavuma de la Universidad de Makerere quieren asociarse con otras instituciones para ensamblar equipos y experiencia para identificar y catalogar los fagos. Su objetivo más amplio es construir un consorcio regional para la investigación de fagos y una biblioteca en la que las naciones africanas puedan echar mano cuando se enfrenten a bacterias resistentes. Pero eso es un largo camino. “Empezamos desde cero”, dice Agbemafle. "Tenemos que improvisar".

Los problemas tecnológicos pueden ser profundos. Nagel de PGH recuerda haber dirigido un taller en Tanzania a principios de 2020 durante el cual quería mostrar a los bioquímicos locales cómo usar el secuenciador de genes portátil MinION de Oxford Nanopore Technologies. Aunque se había configurado un enrutador dedicado para el dispositivo, no había suficiente ancho de banda para secuenciar el genoma en la muestra. Los científicos de PGH recurrieron a un punto de acceso móvil para finalizar la formación. “Así que son cosas así”, dice Nagel. "O se corta la luz o no hay refrigeración".

PGH, el equipo de SafeFish y el ILRI dicen que las interacciones con los agricultores son vitales para la eventual adopción de nuevos productos agrícolas. Los comentarios de los talleres y grupos focales, junto con el personal del área, guían sus procesos de diseño.

 

Como parte del Proyecto SafeFish, Emmanuel Doku Mensah (sentado de blanco), un científico investigador del Consejo de Investigaciones Científicas e Industriales de Ghana, encuesta a los productores de tilapia en el lago Volta sobre sus prácticas agrícolas. Crédito: Proyecto SafeFish — Ghana

 

“Cuando se comprende la dinámica del sistema agrícola, se comprende la dinámica del desarrollo de productos”, dice Angela Makumi, postdoctoral del ILRI. "No es una talla única".

Makumi, quien es de Kenia y se formó como biólogo de fagos en Europa antes de regresar al país, aporta un conocimiento cultural que ha ayudado al equipo de investigación a discernir lo que los agricultores querrían en un producto de fagos. Para reducir costos, por ejemplo, prefieren no tener que comprar un artículo por separado; querrían fagos ya agregados a la alimentación o combinados con una vacuna que ya usan.

 

“Si obtenemos un producto sin sensibilizar previamente a los agricultores, es difícil que lo adopten”, dice Nakavuma. "Así que espero que para cuando tengamos un producto, nos habremos ganado su confianza".

 

Publicación: 03/Agosto/2021

Fuente:
C&En News

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