Mycobacterium tuberculosis es el agente causante de la tuberculosis, un viejo conocido del ser humano. Se calcula que actualmente un tercio de la población mundial tiene la enfermedad latente y, después del VIH, es el agente infeccioso que más gente mata: en el año 2001 contrajeron tuberculosis unos 8,8 millones de personas y 1,3 millones murieron.

Mycobacterium tuberculosis (naranja) unido a la superficie de un macrófago (verde). Referencia: Kaufmann S.H.E. Nature. 2008 May 15;453: 295-6. Figura: Volker Brinkmann, Core Facility Microscopy, Max Planck Institute for Infection Biology, Berlin.

Más de 2.000 millones de personas están infectadas por Mycobacterium tuberculosis, pero «solo» causa unos 1,3 millones de muertes cada año

El permanecer latente en el organismo es una de las características de la tuberculosis humana. La
mayoría de la gente infectada con Mycobacterium desarrolla una respuesta inmune que controla la replicación de la bacteria, desarrollando un infección persiste sin síntomas de la enfermedad. Se ha sugerido incluso que la latencia de Mycobacterium puede suponer un estimulo beneficioso del sistema inmune de la persona infectada, que le protegería frente a otras posibles infecciones. En realidad la enfermedad se reactivará y se manifestará en sólo una pequeña cantidad de personas infectadas, frecuentemente varias décadas después de la infección inicial. Controlar la replicación de la bacteria y mantenerla latente es, por tanto, una forma de que el huésped evite la virulencia del patógeno. Sin embargo, la latencia también podría haber evolucionado como una estrategia del patógeno para asegurar su propia transmisión y evitar su extinción en poblaciones pequeñas de personas. En este sentido, Mycobacterium ha desarrollado varios mecanismos para sobrevivir durante la latencia dentro del huésped.

Por esta razón, la latencia parece ser el resultado de una co-evolución o evolución conjunta del huésped y del patógeno, de la interacción entre los dos. Los cambios evolutivos en el patógeno para aumentar su infectividad han sido contrarrestados por cambios evolutivos en el huésped para incrementar la resistencia a la infección. A lo largo de la evolución, el patógeno ha regulado su virulencia para hacer posible su persistencia y difusión en las poblaciones humanas que cada vez aumentaban en densidad y resistencia a la infección. Por una parte, la bacteria ha tenido que evolucionar para poder resistir al sistema inmune del huésped, pero manteniendo su capacidad de transmitirse en la población y no extinguirse. Para que la bacteria pueda transmitirse es necesaria la enfermedad, algo que depende también de la densidad de la población.

El complejo Mycobacterium tuberculosis está formado por un grupo de especies y sub-especies bacterianas que comparten entre sí más de 99% de identidad genética, pero que se diferencian en el rango de huésped primario, es decir, en el tipo de animal que infectan. Algunas especies infectan al hombre, otras están adaptadas exclusivamente a los animales

Las formas adaptadas al ser humano son Mycobacterium tuberculosis  (en sentido estricto) y
Mycobacterium africanum, esta última de menor virulencia. Los análisis filogenéticos de las mycobacterias humanas demuestran que existen varios linajes que divergen de un mismo ancestro común y que se diversifican en distintas regiones geográficas.

Existen varios linajes de Mycobacterium tuberculosis que se diversifican en distintas regiones geográficas

Análisis filogenético de 220 cepas del complejo Mycobacterium tuberculosis (ref. 1)

Un grupo está formado por las cepas más “modernas” e incluye tres linajes separados: linaje 4
(Euro-Americano), linaje 2 (este asiático) y el linaje 3 (este de África y Asia central). Las cepas de los linajes 2 y 4 son responsables de la mayoría de los casos de tuberculosis humana que ocurren actualmente en el mundo, y de los brotes de tuberculosis multirresistente a los antibióticos. Esto puede ser un reflejo de su éxito evolutivo y de que son linajes mejor adaptados al ser humano actual.

Las cepas más “antiguas” incluye los linajes 1 (Indo-Oceánico), los linajes 5 y 6 de Mycobacterium africanum (oeste de África) y el linaje 7 (Etiopía). El linaje 1 parece ser el más antiguo. Las cepas de los linajes modernos son más virulentas que las de los linajes antiguos.

A diferencia de las adaptadas al hombre, las mycobacterias adaptadas a los animales son capaces de establecer infecciones y de transmitirse entre especies distintas de animales. Las mycobacterias aisladas de animales son: Mycobacterium microti (en ratones, topillos, musarañas y gatos), Mycobacterium
pinnipedii (en focas y leones marinos), Mycobacterium caprae (en cabras y ciervos), Mycobacterium
bovis (en ganados y otros animales domésticos y salvajes), Mycobacterium orygis (en oris, gacelas, venados, antílopes, búfalos, …), Mycobacterium mungi (en mangostas), y Mycobacterium suricattae (en suricatas). También se han asilado mycobacterias de chimpancés salvajes. Todas estas cepas parecen tener un mismo origen y están relacionadas con los linajes 5 y 6 de Mycobacterium africanum.

Mycobacterium tuberculosis no se originó a partir de Mycobacterium bovis

Hace años se pensaba que los humanos habíamos adquirido el bacilo de la tuberculosis durante el Neolítico partir del ganado durante la domesticación de los animales, y que, por tanto, Mycobacterium tuberculosis provenía de Mycobacteriumbovis. En realidad el origen es el contrario. Los análisis genómicos demuestran que Mycobacterium bovis ha perdido varios genes todavía presentes en Mycobacterium tuberculosis, y que por tanto las especies adaptadas al hombre son anteriores y más antiguas que Mycobacterium bovis y otras mycobacterias animales, que surgieron posteriormente.

El hecho de que los linajes africanos y las cepas animales sean los de mayor diversidad genética sugiere que el origen de Mycobacterium está en África. La mayoría de los linajes animales afectan a animales salvajes africanos, mientras que los linajes adaptados a animales domésticos están más repartidos, probablemente como consecuencia de las migraciones humanas y del comercio.

El origen común (monofilético) y la marcada distribución geográfica de las cepas de Mycobacterium sugiere que estas bacterias podrían haber acompañado a las primeras migraciones humanas en su salida de África y haberse diversificado conjuntamente con las poblaciones humanas.  Sin embargo, parece que algunos linajes son más “generalistas” y son capaces de persistir en diferentes poblaciones humanas, mientras que otros son más “especializados” y solo persisten en determinadas poblaciones.

Relaciones evolutivas entre miembros del complejo Mycobacterium tuberculosis (ref. 2)

El origen de la tuberculosis humana es africano

Los estudios de las filogenias de genomas de distintos linajes de Mycobacterium permiten estimar
que la edad del ancestro común a todo el complejo Mycobacterium es de unos 73.000 años. Los datos sugieren que el linaje 1  se separó del resto hace unos 67.000 años, coincidiendo con la primera migración humana de África. Los linajes 2 y 4 se separaron hace unos 30.000-46.000 años y 32.000-42.000 años, respectivamente, lo que se correlaciona con la primera evidencia arqueológica
de presencia de humanos modernos en Europa y este de Asia, respectivamente. Mycobacterium bovis se separó de una rama relacionada con Mycobacterium africanum (linajes 5 y 6). Los linajes 2, 3 y 4 comparten todos ellos una misma deleción, TbD1.

También existen datos de restos arqueológicos de lesiones óseas consistentes con infecciones por tuberculosis y evidencias moleculares de la presencia de genoma de la bacteria en dichos restos. La evidencia molecular más antigua es la presencia de DNA de Mycobacterium en huesos de bisonte de hace 17.500 años encontrado en Wyoming (EE.UU.). También se ha encontrado DNA de la bacteria en esqueletos humanos de hace 9.000 años en Israel, otros de hace unos 7.000 años encontrados en Alemania, y en momias egipcias de 4.000 años de antigüedad. La presencia de DNA de Mycobacterium en momias peruanas de hace unos 1.000 años también se demostró recientemente (ver El origen de la tuberculosis en América, en microBIO).

Quizá, como hemos dicho al principio, la co-evolución del patógeno y el ser humano ha sido en parte beneficioso para ambos. La infección latente por Mycobacterium ha podido generar una cierta protección inmunológica frente a otros patógenos. Afirmar que la tuberculosis ha podido ser beneficiosa para la humanidad no deja de ser algo arriesgado y paradójico si tenemos en cuenta que esta bacteria es responsable de cerca de 1,3 millones de muertes cada año, pero se calcula que más de 2.000 millones de personas pueden tener una infección latente que nunca se manifestará como enfermedad, algo que la evolución ha mantenido a lo largo de miles de años. Cabe preguntarse entonces si Mycobacterium tuberculosis puede considerarse un patógeno o un simbionte.

(1) Co-evolution of Mycobacterium tuberculosis and Homo sapiens. Brites D, Gagneux S. Immunol Rev. 2015. 264(1):6-24. doi: 10.1111/imr.12264.

(2) Genomic insights into tuberculosis. Galagan JE. Nat Rev Genet. 2014. 15(5):307-20. doi: 10.1038/nrg3664.

La tuberculosis humana
en el Nuevo Mundo es de origen animal y anterior a 1492.

Después del “descubrimiento” de América, o mejor dicho de la
llegada de los europeos al continente americano en 1492, siguió un intenso
intercambio y comercio de productos entre los dos continentes, que afectó radicalmente
a nuestra forma de vida. De América nos trajimos a Europa productos que no
conocíamos como el cacao, el maíz, el tomate, la patata, los pimientos, los
cacahuetes, el tabaco y animales como los pavos. Y de Europa llevamos a América
las aceitunas, los limones y las naranjas, el café, los plátanos, la caña de
azúcar, el trigo, el arroz y la vid, y animales como la oveja, las vacas y los
cerdos. Pero también les llevamos
microbios: el sarampión, la malaria, la gripe y la viruela viajaron desde
Europa al Nuevo Mundo.

La cepas actuales de Mycobacterium
tuberculosis que circulan en América están relacionadas con las cepas
europeas. Esto hace suponer que la tuberculosis humana también fue introducida
por los europeos en el continente americano después de 1492. Sin embargo, esta
idea es incompatible con las abundantes evidencias
arqueológicas que demuestran la existencia de lesiones por tuberculosis en
momias americanas de hace más de 1.000 años.

Según parece nuestra
relación con Mycobacterium tuberculosis es muy antigua. Antes se pensaba
que el Mycobacterium actual tiene un origen animal (zoonótico) y había
evolucionado de Mycobacterium bovis después de la domesticación de los
animales durante el Neolítico. Sin embargo, los análisis de comparación de
genomas sugieren que en realidad es la forma bovina la que deriva de las cepas
humanas. Hoy en día, la mayor diversidad de Mycobacterium tuberculosis
ocurre en África, lo que sugiere que el patógeno probablemente se originó allí
y después se extendió de forma clonal por todo el mundo a través de los
movimientos de las poblaciones.

En un reciente artículo publicado en Nature – en el que por cierto han colaborado un grupo de colegas
españoles – han analizado muestras de esqueletos de tres momias peruanas de la cultura
Chiribaya, datadas entre los años
1028 y 1280, antes del contacto con los europeos. Los esqueletos mostraban las
típicas lesiones vertebrales asociadas a la tuberculosis. En las tres muestras
se detectó ADN de Mycobacterium.

Análisis filogenético de genomas de Mycobacterium. Las cepas de las momias peruanas están relacionados
con Mycobacterium pinnipedii,
aisladas de mamíferos marinos.

Mediante técnicas de reconstrucción de genomas han completado
el genoma de las tres mycobacterias. Lo han comparado con otros 259 genomas de
distintas especies de Mycobacterium:
muchos aislamiento humanos, un genoma de Mycobacterium
obtenido de una momia húngara del siglo XVIII, así como otros de origen animal
como Mycobacterium caprae, Mycobacterium microti, Mycobacterium pinnipedii y cepas
aisladas de chimpancés. Los resultados demostraron que las cepas peruanas no estaban relacionadas con cepas humanas, si no
que estaban más próximas a las mycobacterias de origen animal, en concreto, con
Mycobacterium pinnipedii de focas y
leones marinos.

Los resultados demuestran que el origen de la tuberculosis humana en el continente americano es
anterior al contacto con los europeos y que proviene de cepas de tuberculosis
de origen animal, de las focas.

Lo más probable es que hace unos 2500 años, focas, leones
marinos o morsas contrajeran la enfermedad de otras especies animales de
África, y llevaran a través de los océanos la bacteria hasta los mamíferos
marinos de las costas de Sudamérica donde ocurrió la transferencia de la
bacteria a los pobladores americanos, entre los años 700 y 1000 d.C. La tuberculosis humana en el Nuevo Mundo,
por tanto, es de origen animal y anterior a 1492.

Pre-Columbian mycobacterial genomes reveal seals as a source
of New World human tuberculosis. Bos, K. I., et al. 2014. Nature, Aug 20.
doi:10.1038/nature13591.

Robert Koch fue el primero en aislar y cultivar
el bacilo de la tuberculosis y en demostrar que esta enfermedad estaba causada
por una bacteria. En la fotografía: fagocitosis de bacilos de Mycobacterium tuberculosis.

Mycobacterium es una
bacteria del grupo de los Gram positivos, pero tiene una pared celular muy
peculiar. Por ejemplo, los ácidos
micólicos son un tipo de ácidos grasos de cadena larga típicos de Mycobacterium que suelen estar unidos a
molécula de azúcares formando unos glucolípidos que se denomina factores «cord«. Estos
factores «cord» son lípidos
con una gran actividad biológica que están relacionados con algunos efectos
patológicos de la tuberculosis. Por ejemplo, los factores “cord” de Mycobacterium
tuberculosis inducen la producción de varios tipos de citoquinas, que modulan la actividad del sistema inmune del huésped
(las citoquinas son proteínas que regulan funciones de las células que las
producen, sirven para que las células se comuniquen entre sí).  

Los estudios sobre las propiedades
biológicas de los factores “cord” de
las mycobacterias atípicas son muy escasos. Por eso, un grupo de microbiólogos
de las universidades de Murcia y Autónoma de Barcelona, ha estudiado la
capacidad de inducir la producción de citoquinas de los factores “cord” de dos mycobacterias atípicas: Mycobacterium alvei y Mycobacterium brumae, aisladas de
muestras de agua del rio Llobregat de Barcelona a principio de los años 90.  

Para ello, lo primero que han hecho
es aislar los factores “cord” de esta
dos mycobacterias atípicas y caracterizarlos mediante técnicas de NMR. Han
comprobado que aunque su estructura química es muy similar entre sí y con el
factor “cord” de Mycobacterium tuberculosis, existen algunas pequeñas modificaciones
estructurales entre los tres compuestos. Luego, han estudiado la capacidad de estos
factores “cord” de estimular la producción
de citoquinas en dos modelos celulares in
vitro distintos. Han empleado líneas celulares de macrófagos de ratón (RAW
264.7) y de monocitos humanos (THP-1). Los resultados demuestran que los patrones
de inducción de citoquinas pro-inflamatorias por los factores “cord” de las mycobacterias atípicas son
similares entre sí, pero tienen ciertas diferencias respecto al patrón de inducción
del factor “cord” de Mycobacterium tuberculosis.

Estos resultados sugieren por tanto
que pequeños cambios en la estructura de los ácidos micólicos de los factores “cord” afectan a sus actividades
biológicas. Futuros análisis podrán clarificar si estos factores “cord” de las mycobacterias atípicas
podrían ser empleados como estimuladores del sistema inmune o ayudantes, así
como su papel biológico en relación con la inmunología de la
tuberculosis. Así, quizá las mycobacterias “buenas” podrán ayudarnos a controlar
la enfermedad de las mycobacterias “malas”. 

Esta entrada está basada en la
sección Nuestra Ciencia de la Sociedad Española de Microbiología
(SEM). 

Linares, C., et al. (2012). Cord factors from atypical mycobacteria (Mycobacterium alvei, Mycobacterium brumae) stimulate the secretion of some pro-inflammatory cytokines of relevance in tuberculosis Microbiology, 158 (Pt_11), 2878-2885 DOI: 10.1099/mic.0.060681-0

Existen más de 100 especies distintas del género Mycobacterium, la mayoría no son
patógenas y se encuentran en el suelo y en el agua. La TB está causada por
bacterias del complejo Mycobacterium
tuberculosis. Normalmente la infección afecta al sistema respiratorio, pero
en algunos casos también puede manifestarse con lesiones en los huesos.

Hace ya varios años, se identificaron restos de ADN de Mycobacterium tuberculosis en esqueletos
y momias humanas de más de 2.500 años de antigüedad. Sin embargo, hasta ahora
no había sido posible identificar un genotipo detallado de estas cepas
antiguas.  Los nuevos métodos de
secuenciación son capaces de generar secuencias del genoma a partir de pequeñas
cantidad de material lo que permite realizar análisis polimórficos e
identificar genotipos. Esta aproximación es la que han empleado por primera vez
un grupo de investigadores británicos, según publica PNAS, para identificar el genotipo de una cepa antigua de Mycobacterium tuberculosis. Las muestras
empleadas han sido restos óseos de una joven adolescente enterrada a finales
del siglo XIX en la cripta de St. George en Leeds (West Yorkshire, Inglaterra).
Por las características de sus restos se supone que falleció de TB ósea. Los
autores detallan también cómo han evitado la contaminación de las muestras con
ADN de Mycobacterium tuberculosis recientes
o de otras especies de Mycobacterium ambientales. 

Mediante esta tecnología obtuvieron 664.500 lecturas del
genoma que les permitieron analizar la mayoría de los marcadores que se
utilizan para tipificar Mycobacterium (SNPs,
inserciones/deleciones y secuencias de inserción). Tras tipificar la cepa y
compararla con otros grupos de Mycobacterium,
los datos sugieren que esta cepa antigua
no es frecuente hoy en día, y es
distinta de las que se aíslan actualmente entre la población. Además, podría estar relacionada con las cepas de Mycobacterium presentes en Norteamérica
a principios del siglo XX. Este trabajo demuestra que los nuevos métodos de
secuenciación permiten obtener datos detallados del genoma de cepas antiguas y
posibilita comparar cepas de distinto origen geográfico y de diferentes épocas.
Se trata, por tanto, de trabajos de “arqueología microbiana”: identificar y
seguir la pista a microbios antiguos.

Otras entradas en microBIO que te pueden interesar:

– El bacilo de Koch: un tipo serio.

– Extra-resistencia: aparecen nuevos tratamientos frente a cepas del bacilo de la tuberculosis que son resistentes a los antibióticos convencionales. 

– Estudios moleculares de un viejo enemigo: la comparación de los genomas de varias cepas de la bacteria que causa la lepra arroja interesante información sobre esta enfermedad.

– Desarrollan una nueva vacuna contra la tuberculosis que confiere protección antes y después de la infección.

Bouwman, A., et al. (2012). Genotype of a historic strain of Mycobacterium tuberculosis Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1209444109

Se ha publicado en la revista Nature Medicine los resultados con un nuevo candidato a vacuna contra la TB. Se trata de una vacuna múltiple (denominada H56) que pretende ser efectiva para las distintas fases de la enfermedad. Combina  tres antígenos distintos, dos de ellos dirigidos contra las primeras fases de la infección y otro capaz de conferir protección mucho más duradera contra la enfermedad. Los ensayos de vacunación se han realizado hasta el momento en ratones de laboratorio. Cuando esta vacuna H56 se inyecta antes de la infección con TB, genera una respuesta de células del sistema inmune mucho más intensa y diversa que la vacuna clásica BCG, y es capaz de reducir la carga bacteriana mucho mas allá de las 24 semanas post infección. Pero más interesante todavía, cuando H56 se administra después de que los ratones hayan sido infectados y tratados con antibióticos, la vacuna protege a los animales contra la reactivación de la bacteria. La nueva vacuna, por tanto, previene la reactivación del Mycobacterium antes y después de la exposición a este patógeno.

Los autores sugieren que al combinar en su vacuna antígenos protectores de las fases tempranas de la infección con antígenos que se expresan cuando la bacteria se adapta a la fase persistente en el huésped, son capaces de controlar a la bacteria en el estado latente y prevenir su reactivación. De esta forma esperan poder controlar en el futuro los brotes de tuberculosis activa y reducir la transmisión de la enfermedad en la población. Ya han comenzado los primeros ensayos clínicos en humanos.