Hace poco más de 100 años se publicó el primer artículo sobre bacteriófagos

Los virus pueden infectar todo tipo de células: animales, vegetales, hongos, algas y también bacterias. Los bacteriófagos o fagos son los virus que infectan bacterias. En 1915 un microbiólogo inglés, Frederick W. Twort, describió que las bacterias podían sufrir una “enfermedad” que las licuaba y sugirió que podía estar causada por algún tipo de virus que infectara las bacterias. Dos años después, el francés Felix D´Herelle, quizás de forma independiente, descubrió el mismo fenómeno y denominó a estos virus bacteriófagos, virus que “comen” bacterias.

Bacteriófagos infectando una bacteria (fotografía por microscopía electrónica)

Fue, por tanto, el francés quien los lanzó a la fama al publicar el primer trabajo sobre bacteriófagos en 1917. Su primera descripción fue de un filtrado obtenido a partir de las heces de un individuo con disentiría que contenía unos «microbios invisibles» que eran «antagonistas» para las bacterias. Aquellos «microbios invisibles» recordaban a los «fluidos vivos contagiosos» descritos unos años antes por Dimitri Ivanosky, que se agrupaban bajo el nombre de virus (o venenos) filtrables. Desde entonces, los virus que infectan bacterias han contribuido al avance de muchas áreas de la ciencia, sobre todo al desarrollo de la biología molecular y la genética.

D’Herelle ya sugirió su uso como agentes para controlar enfermedades infecciosas, y comenzó a emplearlos en humanos. Para comprobar que eran seguros, él mismo (y su familia y colaboradores) probaron una suspensión de fagos. En 1919 empleó con éxito una suspensión de fagos para tratar pacientes que sufrían de disentería bacilar y cólera. En 1929 publicó el empleo de fagos para tratar la infección por Salmonella gallinarum en aves y la septicemia bovina por Pasteurella multocida.

En la época de Twort y D´Herelle no existían todavía los antibióticos: la penicilina, el primer antibiótico, no se descubrió hasta 1928. El éxito de D´Herelle hizo que varias compañías en Estados Unidos, Francia y Alemania se interesaran por el tema y se dedicaran a producir preparaciones de bacteriófagos para su empleo como terapia contra las enfermedades infecciosas, la fagoterapia, que fue muy utilizada en clínica en los años 30.

Espectacular fotografía en la que se ven varios fagos adheridos a la pared celular de una bacteria, inyectado su DNA al interior de la misma. Se aprecia incluso el fragmento de DNA del virus que está siendo inyectado en el interior.

A pesar del entusiasmo de los resultados de estos primeros años, ya en 1934 comenzaron las primeras críticas, principalmente porque se desconocía la naturaleza exacta de los fagos, su biología. Además, no se había estandarizado la preparación de fagos y no se habían establecido unos criterios claros para poder comparar los resultados de distintas investigaciones. Pero, la «puñalada» final que acabó con la fagoterapia, al menos en los países anglosajones, fue el descubrimiento de los antibióticos.

Curiosamente, los antibióticos han sido al mismo tiempo la causa del
ocaso de la fagoterapia y de su resurgimiento

La principal ventaja de los antibióticos frente a los fagos fue su potente actividad y amplio espectro, eran activos frente a gran cantidad de bacterias distintas. Además de la estabilidad durante el proceso de fabricación de los antibióticos, ya se habían comenzado a describir algunos casos de bacterias que eran resistentes a los fagos. Por eso, a finales de los años 40 la apuesta ganadora fueron los antibióticos y se abandonaron los estudios de emplear fagos para tratar enfermedades infecciosas. Después de la Segunda Guerra Mundial la fagoterapia se abandonó.

Sin embargo, en los países del ámbito soviético las cosas fueran muy distintas. La fagoterapia fue muy empleada concretamente en Georgia y en Polonia. Era también una forma de diferenciarse de la ciencia «capitalista» y dar preponderancia a la ciencia soviética. Uno de los centros más conocidos donde se preparaban los bacteriófagos para toda la Unión Soviética fue el Instituto Tbilisi de Bacteriófagos, Microbiología y Virología de la República de Georgia, fundado en 1923 por el profesor George Eliava y donde el propio D’Herelle trabajó durante varios años (por cierto, a Eliava se lo cargó  la KGB en 1937 en una de sus famosas “purgas”). Es curioso que incluso hoy en día el Instituto Pasteur, donde el propio D’Herelle  trabajó al principio con bacteriófagos, obtiene muchos de los fagos de laboratorios de Rusia o Georgia.

El virus se multiplica en el interior de la bacteria y al final del ciclo, la bacteria «explota» y libera las nuevas partículas virales al exterior, y comienzan un nuevo ciclo de infección (Referencia).

También en la Polonia “soviética” se realizaron muchas experiencias similares para el tratamiento de infecciones en humanos y animales por Acinetobacter, Burkholderia, Citrobacter, Enterobacter, Enterococcus, Proteus, Pseudomonas, Shigella, Staphylococcus, Streptococcus… Muchos de estos estudios pasaron muy desapercibidos para la comunidad científica internacional durante muchos años, muy probablemente porque la mayoría de estos trabajos estaban escritos en ruso y prácticamente solo los rusos saben ruso.

En los años 70 se realizaron en Pakistán varios experimentos con fagos preparados en la URSS para el tratamiento del cólera, con la supervisión de la OMS. La conclusión fue que la fagoterapia no era tan efectiva como el tratamiento con el antibiótico tetraciclina. Sin embargo, comprobaron que el fago eliminaba la mayoría de los Vibrio, sin afectar a otros microorganismos intestinales y que no tenía ningún efecto tóxico para los pacientes. Por tanto, compensaba seguir estudiando la fagoterapia como posible instrumento terapéutico, al menos en determinados casos. También se hicieron algunos ensayos en animales de granja infectados con E. coli y demostraron que la fagoterapia podría ser empleada no sólo como tratamiento sino también como profilaxis.

Las ventajas del empleo de los fagos son su alta especificidad contra la bacteria concreta que produce la infección, los fagos no infectan a las células humanas, ni animales, ni plantas. Además, las bacterias tienen una menor tendencia a hacerse resistentes a los fagos, y la producción de fagos es mucho más fácil y económica que la de antibiótico.

¿Cómo interaccionan los fagos con nuestro sistema inmune?

Uno de los riesgos de la fagoterapia es la interacción entre el sistema inmune del huésped y los fagos invasores. La respuesta inmune frente a los fagos va a depender principalmente de la localización de la infección bacteriana y del modo de administración de los fagos.

No hay evidencia de que el consumo de grandes cantidades de fagos
causen una complicación inmunológica

La aplicación tópica de fagos no tiene ningún efecto secundario, pero, independientemente de la ruta de administración, los fagos pueden acabar penetrando en el sistema circulatorio. Si no hay bacteria huésped específica para el fago, los fagos rápidamente desaparecen por ser fagocitados – fagos fagocitados, qué curioso, je, je 😉

Los fagos inducen anticuerpos específicos que pueden llegar a neutralizarlos e inhibir su efectividad. La concentración de anticuerpos neutralizantes depende de la ruta de administración y de la dosis. Los anticuerpos neutralizantes son el factor más importante responsable de limitar la eficacia de la fagoterapia. Sin embargo, como la cinética de los fagos es mucho más rápida que la producción de anticuerpos neutralizantes por el huésped, no parecen ser un problema en el tratamiento inicial de enfermedades agudas. Pero si puede ser un problema en las sucesivas dosis de un tratamiento continuo. Para ello, se suele aumentar la concentración de fagos en los tratamiento posteriores o emplear un cóctel de varios fagos distintos al mismo tiempo, lo que también reduce la posibilidad de desarrollar resistencia a los fagos. 

Otro problema a tener en cuenta es que los fagos al lisar las bacterias pueden aumentar la concentración de endotoxina (el lipopolisacárido o LPS) o superantígenos bacterianos que pueden tener efectos tóxicos o inducir una respuesta inflamatoria. Además, los fagos pueden llevar consigo algunos genes de virulencia o de resistencia a los antibióticos que pueden transferirse a otras bacterias.

La fagoterapia hoy en día

Aunque en un principio los antibióticos parecieron la solución de las enfermedades infecciosas, la aparición también de resistencias a los antibióticos y su extensión por todo el planeta ha resultado ser uno de los grandes problemas de salud de este siglo. Es importante tener en cuenta que el hecho de que una bacteria se haga resistente a los antibióticos no implica que también sea resistente a los mecanismos de lisis de los fagos. Ambos mecanismos de resistencia son diferentes. Por tanto, los fagos pueden ser capaces de matar bacterias resistentes a los antibióticos. Por eso, el empleo de fagos para tratar enfermedades infecciosas resistentes a los antibióticos, la fagoterapia, se ha vuelto a poner de moda como una alternativa eficaz.

Las bacteriófagos son muy abundantes en la naturaleza y los encontramos junto con las bacterias en todos los ambientes, en el suelo, en el agua, incluso en el aire. Su acción es muy específica, atacan a un tipo de bacteria concreto sin afectar por ejemplo, a nuestras propias bacterias intestinales. Tienen algunas ventajas respecto a los antibióticos: son productos “ecológicos” sin muchos efectos tóxicos o secundarios para nosotros, los animales, las plantas o el ambiente; son fáciles de producir y de aplicar; se pueden emplear como mezclas o cócteles de varios bacteriófagos a la vez; y su concentración se autolimita, aumenta en el cuerpo conforme se multiplican en las bacterias y luego van disminuyendo conforme esas bacterias van siendo eliminadas.

Hoy en día, en el Instituto Eliava (el antiguo Instituto Tbilisi de Bacteriófagos, Microbiología y Virología de la República de Georgia) existe probablemente la mayor colección de bacteriófagos del mundo. Producen bacteriófagos para tratar todo tipo de infecciones: sepsis, peritonitis, mastitis, abscesos purulentos, neumonías y bronquitis, quemaduras, etc. Y en todo tipo de formatos: líquido, pastillas, pomadas, aerosoles y nebulizadores e incluso supositorios. Preparan cócteles de combinaciones de fagos para serotipos distintos de Escherichia, Enterococcus, Proteus, Pseudomonas, Shigella, Salmonella, Staphylococcus y Streptococcus.

En Polonia, el centro de fagoterapia del Ludwik HirszfeldInstitute of Immunology and Experimental Therapy(en Wroclaw o Breslavia) ofrece terapias experimentales para infecciones por Acinetobacter, Burkholderia, Citrobacter, Enterobacter, Enterococcus, Escherichia, Klebsiella, Morganella, Proteus, Pseudomonas, Shigella, Salmonella, Serratia, Staphylococcus y Stenotrophomonas. Según datos publicados por el propio centro, entre el 35-50% de los pacientes tratados han dado resultados positivos.

En los últimos años también se ha comenzado a usar la fagoterapia en otros países como Francia, Bélgica, Suiza, EE.UU. y Canadá. Aquí te dejo el enlace al The Félix d’Hérelle Reference Center for Bacterial Viruses de Canadá, también con una extensa colección de fagos.

Representación esquemática de las posibilidades de modificar genéticamente los fagos para hacerlos más efectivos (Referencia 1)

Además, se están estudiando nuevas estrategias para mejorar y superar las limitaciones de la fagoterapia: el diseño de nuevas combinaciones de varios fagos al mismo tiempo, la combinación sinérgica de fagoterapia y antibióticos, el empleo de productos del fago en vez del fago completo (como las endolisinas, ver más adelante), el uso nuevas tecnologías de dispensación de medicamentos como liposomas, o la manipulación genética de los propios fagos. Actualmente, los fagos se pueden modificar genéticamente para cambiar la especificidad de la bacteria huésped, reducir su inmunogenicidad, evitar que liberen toxinas bacterianas para minimizar su respuesta inflamatoria, extender su supervivencia después de su administración (fagos que duren más tiempo en el torrente circulatorio), mejorar su acción frente a biofilms bacterianos con enzimas que degraden esos biofilms, mejorar la lisis de las bacterias, …

De todas formas, la extensión del uso de fagos para curar enfermedades infecciosas va a requerir una regulación específica de los nuevos productos  terapéuticos, y algo de “marketing”: quizá algunas personas no reciban con buenos ojos eso de inyectarse unos virus para acabar con la infección. Habrá que explicarlo bien, los virus no siempre son malos y algunos nos pueden salvar la vida.

Actualmente hay sólo unos pocos cientos de fagos descritos en las bases de datos, pero se calcula que ahí fuera, en la naturaleza, pueden haber 10³¹ viriones. Conocemos solo una gota en el océano y las posibilidades terapéuticas futuras de los fagos son impresionantes. Es muy probable que en el futuro el médico nos recete un preparado de virus para acabar con alguna infección.

Aquí tienes un vídeo de #microBIOscope, la ciencia de microBIO en vídeo, Virus contra bacterias, en la que te resumo todo lo dicho:

¿Cómo los fagos matan a las bacterias?

Muchos fagos emplean unas proteínas llamada amurinas, que son unas lisinas o hidrolasas del peptidoglicano o mureína, el principal componente de la pared celular de las bacterias.

Sistema holinas-endolisinas.

Además, en la mayoría de los fagos existe otros sistemas de lisis que utiliza dos tipos de proteínas para matar a su huésped, denominadas holinas y endolisinas, que forman el sistema holina-lisina. Las holinas son proteínas que perforan la membrana citoplasmática de la bacteria, formando agujeros, lo que permite a las endolisinas tener acceso al peptidoglicano de la bacteria. Las endolisinas (también conocidos como enzibióticos) son enzimas que degradan la pared celular y hacen que la bacteria se rompa. Las hay de varios tipos y son diferentes según sean de fagos que lisan bacterias Gram positivas o negativas.

También te puede interesar (¡qué curioso!):

– Para luchar contra los fagos, las bacterias tienen su propio sistema de defensa. ¿Sabes de qué estoy hablando? El famosos sistema de edición genética CRISPR/Cas es en realidad el modo en que las bacterias se protegen de la infección de un virus. Aquí tienes más información.

Referencias:

(1) Phage therapy in bacterial infections treatment: one hundred years after the discovery of bacteriophages. 2017. Cisek, A. A., et al. Curr. Microbiol. 74: 277-283.

(2) Revisiting phagetherapy: new applications for old resources. 2015. Nobrega, F. L., et al.
Trends Microbio. 23 (4): 185-191.

Un grupo de
investigadores se han dedicado a estudiar los bacteriófagos (virus que infectan bacterias) de Propionibacterium acnes (publicado en la
revista mBio). Estos bacteriófagos
son un componente también habitual de la piel. Para ello, aislaron los
bacteriófagos y las bacterias de los folículos sebáceos de la nariz de un grupo
de donantes con y sin acné. Los bacteriófagos se analizaron por microscopia
electrónica y de cada uno de ellos se extrajo el genoma completo y se
secuenció.  Además, se compararon con
otros bacteriófagos obtenidos hace más de 30 años, en total se analizaron 14
virus. 

Lo que más ha sorprendido
a los investigadores es la enorme homogeneidad genética de todos los
bacteriófagos de Propionibacterium acnes,
que contrasta con la diversidad observada en otros virus de otras bacterias
como Mycobacterium, Staphylococcus o Pseudomonas.  A pesar de
haberse tomado muestras de individuos de distintos sitios geográficos y en
tiempos diferentes (los voluntarios pertenecían a dos continentes distintos y
entre las muestras había algunas obtenidas hace más de 30 años!), la homogeneidad
en su secuencia y contenido genético era casi completa. Además, otra de las
propiedades de estos virus fue su gran
habilidad para matar a la mayoría de los aislamientos clínicos de Propionibacterium acnes.

Probablemente esta
sorprendente falta de diversidad genética pero enorme habilidad para matar a
distintas cepas de la bacteria, estén relacionadas con su único y restringido
hábitat. Estos virus se aíslan de los folículos sebáceos, donde hay un
microambiente anaerobio con una alta concentración de lípidos y muy poca
diversidad de otros microbios. Unas restricciones ambientales donde hay muy
pocas posibilidades para el intercambio de genes y la recombinación. Algo muy
diferente a lo que se encuentran otras poblaciones de bacteriófagos en
comunidades microbianas mucho más complejas como los ambientes acuáticos o
terrestres. Los resultados sugieren que estos bacteriófagos de Propionibacterium acnes se han
desarrollado a partir de un ancestro común y que la habilidad para infectar a
la bacteria la han adquirido recientemente. 

La escasa diversidad genética
de estos bacteriófagos y su gran capacidad para lisar o matar a la mayoría de los
Propionibacterium empleados, hacen de
estos virus unos candidatos ideales para desarrollar nuevas terapias tópicas contra
el acné. Además, estos virus no son tóxicos y su empleo evitaría el problema de
la resistencia a los antibióticos. No es de extrañar que algún día veamos en el
mercado alguna pomada contra el acné basada en estos bacteriófagos.

Marinelli, L., et al. (2012). Propionibacterium acnes Bacteriophages Display Limited Genetic Diversity and Broad Killing Activity against Bacterial Skin Isolates mBio, 3 (5) DOI: 10.1128/mBio.00279-12

Investigadores
del Centro Nacional de Biotecnología acaban de publicar en la revista PNAS un
interesante trabajo sobre la estructura de una proteína que emplea el bacteriófago
T7 para anclarse a su huésped, la bacteria Escherichia
coli.

La infección de
los virus es muy específica. Cada tipo de virus infecta a un determinado tipo
celular. Gran parte de esta especificidad depende de las primeras etapas de la
infección: el reconocimiento y la unión a la célula huésped. Muchos
bacteriófagos poseen unas fibras proteicas con las cuales se unen a la bacteria
que van a infectar. En una primera fase esta unión inicial es reversible y
sirve para el reconocimiento específico de la célula bacteriana. En el caso
concreto del T7, las fibras de la cola del bacteriófago interaccionan con un
componente de la envoltura de Escherichia
coli, el lipopolisacárico (LPS) bacteriano. Posteriormente, la fijación se
hace ya irreversible y el virus inyecta su ADN en el interior de la bacteria.

La mayoría de los
bacteriófagos tiene una estructura típica de cabeza icosaédrica (donde se aloja
su ADN), una cola helicoidal contráctil y fibras proteicas terminales. En la
fotografía de microscopía electrónica se observa un bacteriófago T4 adherido a
través de sus fibras al filamento de un flagelo bacteriano.

En este trabajo han
empleado técnicas de cristalografía de rayos X de alta resolución para analizar
con precisión la estructura de las fibras mediante las que el bacteriófago T7
se une a la bacteria. Así, han comprobado que estas fibras están formadas por
tres unidades de una misma proteína, que tiene un área justo antes de la zona
que se une a las bacterias que dota a estas fibras de flexibilidad. Una
flexibilidad que parece ser importante a la hora de que el virus se ancle
correctamente sobre la pared bacteriana.

Pero, ¿cuál es la
transcendencia e importancia de este sofisticado trabajo?. El objetivo final es
el de sustituir a los antibióticos por virus que matan a las bacterias. Como ya
hemos comentado otras veces en microBIO, uno de los retos actuales de la
microbiología es la lucha contra las bacterias resistentes a los antibióticos.
El emplear bacteriófagos (virus que matan bacterias) como terapia
antibacteriana es una idea muy vieja que ya se les ocurrió a los que
descubrieron por primera vez este tipo de virus hace casi cien años! Sin
embargo, como cada bacteriófago se adhiere de forma muy específica a una
especie concreta de bacteria, en principio estos virus nunca podrían usarse de
forma generalizada. Por ello, los investigadores trabajan sobre la idea de
crear mediante mutaciones puntuales una gran variedad de bacteriófagos que
puedan ser utilizados contra todo tipo de bacteria. El primer paso es estudiar
el mecanismo exacto por el que los bacteriófagos se colocan sobre la bacteria y
se anclan a su membrana justo antes de empezar la destrucción de la misma. Así,
gracias a la alta resolución de los datos obtenidos, han podido localizar con
precisión las zonas concretas a través de las cuales se produce la unión entre
el bacteriófago y la bacteria.

Esta
investigación es, por tanto, un paso más para poder diseñar y construir mutantes de bacteriófagos capaces de unirse muchas bacterias patógenas distintas para poder
ensayar su empleo como una alternativa a los antibióticos.

En esta fotografía de
microscopía electrónica se observan varios bacteriófagos T2 adheridos a la
pared celular de Escherichia coli e
inyectando su ADN.

Se puede observar el filamento de ADN del bacteriófago

dentro del citoplasma de la bacteria.

Este post se ha
realizado con la colaboración de Alfonso Mora, divulgador científico
del CNB.

Structure of the receptor-binding
carboxy-terminal domain of bacteriophage T7 tail fibers. García-Doval C, et al. Proc Natl Acad Sci USA. 2012, May
29.

doi: 10.1073/pnas.1119719109

Los virus están formados por ácidos nucleicos (ADN o ARN) y proteínas. Por lo general, su tamaño es muy pequeño, entre 20 y 300 nanómetros (recuerda que un nanómetro es un millón de veces más pequeño que un milímetro!). Para poderlos ver necesitamos potentes microscopios electrónicos. Sin embargo, a pesar de su alta resolución, la microscopia electrónica no permite resolver las estructuras moleculares dentro de compartimentos celulares, es decir, no permite “ver” en el interior de los virus. 

Ahora, un grupo de investigadores ha desarrollado una nueva forma de ver más claramente las estructuras en el interior de los virus. La técnica, publicada en Science, se denomina cryo-electron microscopy (cryo-EM) y se basa en el principio físico de que las proteínas son mucho más sensibles a la radiación que los ácidos nucleicos. 

Los bacteriófagos son virus que infectan bacterias. 

La mayoría de ellos tiene una estructura compleja formada por

una “cabeza” icosaedrica y cola contráctil con fibras proteicas.

Como modelo, los investigadores emplearon un bacteriófago, un virus que infecta bacterias. Este bacteriófago posee una estructura compleja con una “cabeza” icosaedrica que contiene empaquetado el genoma ADN del virus y una larga cola contráctil. Observaron que el virus también contiene una estructura cilíndrica denomina cuerpo interior que es muy difícil de observar al microscopio electrónica porque está rodeado de ADN. Mediante la técnica de cryo-EM y posteriores cálculos por ordenador fueron capaces de reconstruir imágenes en tres dimensiones del virus. Según los autores, esta técnica es especialmente útil para mapear y visualizar estructuras formadas por proteínas asociadas al ADN, como los núcleos celulares, lo que abre nuevas vías para entender mejor algunos fenómenos de la biología celular.

El bacteriófago ϕKZ es un virus complejo que infecta a la bacteria patógena Gram-negative Pseudomonas aeruginosa. En la imagen (A) se muestran cryoelectron microfotografías del bacteriófago. Mediante radiaciones se dañan los virus (B), lo que permite reconstruir en tres dimensiones su estructura (C).

Bubblegrams Reveal the Inner Body of Bacteriophage ϕKZ. Weimin, W., et al. 2012. Science, Vol. 335 no. 6065 p. 182.

doi: 10.1126/science.1214120