todavía no hay cura para la fibrosis quística. A pesar de los tratamientos mejorados que alargan la vida de los pacientes, un paciente con FQ nacido entre 2013-17 en el Reino Unido tiene una esperanza de vida promedio por debajo de 50. En el Reino Unido, alrededor de 10.500 personas tienen fibrosis quística, según el Cystic Fibrosis Trust. Entre el 60-80% de las personas con fibrosis quística sufren infecciones respiratorias crónicas, comúnmente causadas por bacterias Pseudomonas aeruginosa o Staphylococcus aureus., Una vez que los pulmones están infectados, las bacterias se diferencian rápidamente en sub-cepas, desarrollan resistencia a los antibióticos y se vuelven difíciles de tratar. Las estrategias actuales de tratamiento antibiótico equivalen a bombardear todo el sitio desde la órbita con una batería de medicamentos, un enfoque que causa efectos secundarios graves, y en muchos casos las bacterias persisten.

la infección pulmonar crónica daña las superficies de las células epiteliales y conduce a la inflamación, afectando la capacidad del pulmón para funcionar. Se estima que más del 80% de los pacientes con fibrosis quística mueren por este tipo de infecciones pulmonares crónicas., Hay mucho que no entendemos sobre cómo estas bacterias colonizan y se propagan dentro de los pulmones, y cómo las interacciones bacteria-bacteria afectan su sensibilidad a los antibióticos.

Afortunadamente, los científicos están encontrando nuevas formas de modelar el comportamiento bacteriano en pulmones infectados y obtener información sobre cómo las infecciones se afianzan y resisten el tratamiento., Estos hallazgos tienen el potencial de ayudar a los pacientes con FQ a vivir vidas más largas y saludables.

la fibrosis quística es causada por mutaciones en el gen regulador de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística (CFTR) que afectan la producción de la proteína CFTR. Esta proteína forma canales iónicos en las membranas celulares de todo el cuerpo que regulan el flujo de iones y moléculas de agua dentro y fuera de las células. Cuando la proteína CFTR no se fabrica correctamente, su capacidad para transportar iones se ve comprometida, afectando el equilibrio de los iones de sal y el agua dentro y fuera de la célula., Este desequilibrio conduce a una mucosidad espesa y pegajosa en los pulmones, el páncreas y otros órganos. El moco tosido del tracto respiratorio se llama esputo.

el moco que no se limpia es un caldo de cultivo para las bacterias y conduce a estas infecciones pulmonares crónicas en pacientes con FQ. También es difícil para los agentes terapéuticos penetrar el moco y erradicar las bacterias.

¿cuántos errores?

el primer paso para entender las infecciones bacterianas es cuantificar lo que está sucediendo., El proyecto de Microbioma Humano (HMP) del Fondo Común de los NIH se estableció en 2008 para caracterizar la microbiota humana saludable e investigar su papel en la enfermedad. La primera fase del proyecto caracterizó los microbiomas orales, intestinales y cutáneos, pero no investigó los pulmones. El cultivo de muestras de pulmón en una placa de petri, la forma tradicional de identificar bacterias, no mostró nada, por lo que los científicos concluyeron que los pulmones sanos eran estériles. Investigaciones posteriores con técnicas de secuenciación más avanzadas mostraron que, de hecho, múltiples especies de bacterias habitan pulmones sanos.,

sin embargo, las diferencias entre un microbioma pulmonar saludable y no saludable es «un área bastante controvertida en este momento», explica Ann Field, directora sénior de drug discovery en la Fundación de Fibrosis Quística, una organización sin fines de lucro estadounidense. Algunos estudios identifican listas de organismos que parecen estar presentes en los pulmones donde no hay una infección, pero otros estudios identificaron una superposición considerable en los tipos y cantidades de organismos en los pulmones sanos e infectados. «El jurado aún no ha decidido si existe un» microbioma pulmonar saludable»», dice Field.,

el método más común de cuantificación de bacterias es la secuenciación del gen ARN ribosomal 16S (rRNA), donde la PCR amplifica el gen 16S rRNA presente en el ADN recogido de muestras de esputo. El gen 16S rRNA está presente en todas las bacterias, y actúa como un código de barras para diferentes especies.,

Cuando realizaron la secuenciación del ARNr 16S en esputo de 77 pacientes con fibrosis quística, investigadores de la Universidad de Emory y del Georgia Institute of Technology, ambos en Atlanta, EE.UU., encontraron que la presencia de Pseudomonas, Staphylococcus y Achromobacter en cantidades significativas se correlaciona con la reducción de la función pulmonar en pacientes con FQ, mientras que el aumento de la diversidad del microbioma se correlaciona con la mejora de la función pulmonar. Sin embargo, también encontraron excepciones a estas tendencias.

Hay algunos inconvenientes en el uso de métodos basados en el ADN para cuantificar las bacterias en los pulmones., En los pacientes con FQ hay una gran cantidad de ADN bacteriano y huésped presente en las muestras, pero las cantidades de ADN pueden no representar la composición real de las bacterias presentes. «El ADN bacteriano se acumula a diferentes velocidades con diferentes estabilidades; muchos insectos en las vías respiratorias producen muy buenas Dnaasas, por lo que tienden a degradar el ADN que las rodea. Mientras que con patógenos como Pseudomonas el ADN se acumula continuamente», dice Michael Surrette, profesor de microbiología en la Universidad McMaster en Ontario, Canadá.

Surrette argumenta que una forma más precisa de cuantificar las bacterias es buscar el ARN bacteriano., El inconveniente de los métodos de secuenciación basados en ARN es que, aunque proporciona una instantánea más precisa de las especies presentes, el ARN no es estable y tiene una vida media de minutos. La extracción de ARN del esputo también es difícil. «El esputo es la peor muestra posible para hacer esto», dice Surette. Su grupo ha desarrollado un protocolo que descompone las matrices de saliva, estabiliza el ARN antes de la amplificación y secuenciación, y tarda menos de cinco minutos en realizarse.,

resistencia a los antibióticos

Más del 50% de los adultos con FQ en los Estados Unidos están infectados con Pseudomonas, de los cuales aproximadamente un tercio es multirresistente. Pseudomonas es un patógeno oportunista que solo infecta a las personas con sistemas inmunitarios debilitados. Existen múltiples vías mecanicistas a través de las cuales las Pseudomonas adquieren resistencia a los antibióticos. El hábito de Pseudomonas de formar biopelículas protectoras se suma a la dificultad de erradicación.,

para estudiar la resistencia, el equipo de Steve Diggle en el Instituto de tecnología de Georgia cultivó biopelículas de Pseudomonas en perlas de plástico con medios de esputo sintético en el transcurso de 50 días. Descubrieron que en un mes las Pseudomonas tenían suficientes mutaciones en el gen IasR, que promueve la creación de proteínas de virulencia, para ganar tolerancia a varios antibióticos betalactámicos, incluso cuando las muestras no se trataron con antibióticos.

El laboratorio de Diggle también mostró que las cepas más agresivas de Pseudomonas liberan piocinas que matan a las cepas de Pseudomonas competidoras., Esto asegura que las cepas más virulentas – y mortales – dominen los pulmones de los pacientes con FQ.

utilizo el ejemplo de las galaxias en el universo: hay muchas de ellas, pero la mayoría están demasiado separadas entre sí para interactuar

otro factor de complicación es que la presencia de múltiples microbios en el pulmón puede afectar su capacidad para resistir los antibióticos., Una cepa de bacterias que fue cultivada y purificada de una muestra de paciente podría mostrar sensibilidad a un antibiótico en particular en el plato, pero parece resistente a ese tratamiento en el contexto de una infección polimicrobial. «La implicación es que estos microbios están interactuando de alguna manera Que Cambia su biología y fisiología de tal manera que no son sensibles al antibiótico», dice George O’Toole, microbiólogo del Dartmouth College en New Hampshire, EE.

El laboratorio de O’Toole busca las relaciones de alimentación cruzada dentro de las comunidades polimicrobiales., El metabolito residual de una especie bacteriana puede ser alimento para otra. Utilizando simulaciones por computadora con una selección conocida de bacterias y nutrientes preexistentes, su equipo puede modelar el intercambio y la acumulación de metabolitos en comunidades polimicrobiales. Descubrieron que las Pseudomonas a menudo crecían hasta convertirse en las bacterias dominantes, pero la presencia de patógenos más raros que también consumían los mismos metabolitos alimentarios que las Pseudomonas podría impedir su crecimiento. Todavía no se conoce cómo estos tipos de interacciones microbianas influyen en la sensibilidad a los antibióticos.,

no todos los científicos están de acuerdo en que existe un microbioma pulmonar donde múltiples microbios interactúan entre sí. «Utilizo el ejemplo de las galaxias en el universo: hay muchas, pero la mayoría están demasiado separadas unas de otras para interactuar», dice Diggle, quien piensa que lo mismo podría ser cierto de las colonias bacterianas en el pulmón. Argumenta que ver interacciones entre dos especies de bacterias en un plato no significa que normalmente interactúen entre sí en el pulmón.,

«esencialmente, cada programa de descubrimiento de medicamentos se ejecuta mirando la capacidad de un antibiótico para tratar un solo microbio en un cultivo», dice O’Toole, quien no ve eso como un enfoque efectivo en la FQ cuando casi todos los pacientes tienen infecciones polimicrobiales. «Tenemos que pensar en un proceso de descubrimiento de fármacos en el que se busquen fármacos que sean eficaces en el contexto de una infección mixta.’

modelar los pulmones de FQ

otro desafío cuando se trata de fibrosis quística es modelar eficazmente la enfermedad y el microambiente dentro de los pulmones no saludables., Los pulmones son difíciles de captar y analizar cuando todavía están en uso. Cuando se tose el esputo para su análisis, los médicos no saben de qué parte de los pulmones proviene la muestra, o si se trata de una mezcla de colonias bacterianas de múltiples ubicaciones. Sin modelos eficaces, los científicos no pueden estudiar eficazmente la enfermedad y desarrollar mejores tratamientos.

‘A diferencia de los pacientes humanos con FQ, los ratones con FQ no desarrollan enfermedad pulmonar espontánea o infecciones bacterianas crónicas., Los modelos de cultivo celular 2D tampoco abarcan muchos de los mecanismos y respuestas de tratamiento de las enfermedades respiratorias», dice Sean Murphy, bioingenieroen Wake Forest Institute for Regenerative Medicine en Carolina del Sur, EE.

realizar experimentos en tiempo real en pulmones vivos es casi imposible, por lo que algunos investigadores han creado órganos miniaturizados para estudiar., Investigadores de la Universidad de Harvard en Massachusetts, Estados Unidos, han pasado muchos años construyendo dispositivos de órganos en un chip que imitan condiciones fisiológicas. Sus chips de órganos son dispositivos de cultivo microfluídicos que tienen dos canales paralelos huecos de menos de un milímetro de ancho. Están separados por una membrana porosa que está recubierta con una matriz extracelular para mediar la adhesión celular en el cuerpo y las acciones in vitro. «Son del tamaño de una tarjeta de memoria de computadora, una pequeña unidad USB», dice Donald Ingber, director fundador del Instituto Wyss de ingeniería de inspiración biológica en Harvard., Los resultados son secciones 3D vivas de las principales unidades funcionales de los órganos. Tienen chips pulmonares individuales que sustituyen a los alvéolos, los sacos de aire y las vías respiratorias.

el proyecto lung on-a-chip del Instituto Wyss comenzó en 2018 con una subvención de la Fundación de Fibrosis Quística. Cuando los investigadores colocaron células endoteliales pulmonares de pacientes con FQ en chips, los mini órganos produjeron mucosas más gruesas, y tuvieron un movimiento capilar anormal y una mayor respuesta inflamatoria. Ingber dice que utilizarán estos chips para realizar ingeniería inversa del proceso de la enfermedad cambiando las variables fisiológicas.,

hay esperanzas de que los pulmones en un chip puedan ayudar a explicar el mecanismo de la inflamación pulmonar de la FQ. «Hay alguna evidencia de que las respuestas inflamatorias de la FQ son exageradas o suprimidas independientemente de la enfermedad pulmonar de la FQ», señala Murphy, a pesar de que las infecciones bacterianas crónicas y el daño también tienen un impacto significativo en la respuesta inflamatoria. Su equipo ha construido su propio sistema de pulmones en un chip que puede usar diferentes combinaciones de células inmunitarias y epitelio de FQ o no FQ para comprender mejor los mecanismos de inflamación en el pulmón de FQ y el sistema inmune.,

moduladores

a pesar de muchas preguntas sin respuesta sobre la biología subyacente de la enfermedad y las infecciones crónicas que la acompañan, el tratamiento y el manejo de la fibrosis quística está experimentando un cambio de paradigma masivo con la reciente introducción de fármacos moduladores CFTR. Se llaman moduladores porque modulan la función de la proteína CFTR para que pueda cumplir su función principal: crear un canal para que los iones cloruro fluyan a través de la superficie celular.

cuando se restablece el flujo adecuado de cloruro, el moco se rehidrata dentro de los pulmones y otros órganos., Aunque los medicamentos moduladores actuales no restauran completamente el flujo adecuado de cloruro, pueden mejorar el flujo lo suficiente como para aliviar los síntomas de las personas con FQ. Symkevi-un medicamento de Vertex Pharmaceuticals – es una combinación de medicamentos moduladores ivacaftor y tezacaftor fue aprobado en diciembre de 2018 para su uso en la UE. Vertex siguió esto con Trikafta, un tratamiento con un tercer modulador de medicamentos elexacaftor, que fue aprobado por la FDA en octubre de 2019. La Agencia Europea de medicamentos sigue revisando la solicitud de autorización y tomará una decisión a finales de 2020.,

no podemos permitirnos bajar la Guardia

Trikafta está aprobado para pacientes de 12 años o más que tienen al menos una mutación F508del en el gen CFTR, que es aproximadamente el 90% de los pacientes con fibrosis quística. En ensayos clínicos, las personas con dos copias de la mutación F508del tuvieron un aumento del 3,4% en la función pulmonar después de tomar Symkevi en comparación con el tratamiento con el grupo placebo. Las personas que tomaron Trifkafa tuvieron un aumento adicional del 10% en la función pulmonar en comparación con los pacientes que tomaron Symkevi.,

además de los moduladores, hay varias clases de terapias dirigidas a diferentes aspectos de la proteína CFTR, aunque todavía no se han aprobado para su uso generalizado. Los potenciadores son moduladores CFTR que mantienen la puerta abierta para que el cloruro pueda fluir a través de la membrana celular. Los correctores ayudan a la proteína CFTR a formar la forma 3D correcta para que sea capaz de transportar iones a la superficie celular. Finalmente, los amplificadores CFTR aumentan el número de proteínas CFTR en la superficie celular. Si la célula produce más proteína CFTR, aumenta el flujo de iones cloruro a través de la membrana celular., Los amplificadores, que se están desarrollando y probando, todavía no están disponibles comercialmente.

a pesar del optimismo en torno a la mejora de los resultados para los pacientes con FQ con la llegada de los fármacos moduladores, Surrette advirtió que los moduladores pueden conducir a un nuevo conjunto de problemas de infección. Incluso cuando estos moduladores limpian el moco en los pulmones de pacientes adultos con FQ, las cicatrices de infecciones y exacerbaciones pasadas seguirán existiendo, lo que significa que los pulmones con FQ nunca se verán como pulmones sanos., Los investigadores no están seguros de si los pacientes con moduladores CFTR obtendrán un microbioma pulmonar permanentemente saludable, o si los patógenos eventualmente regresarán. «Este va a ser un entorno para nuevos patógenos potenciales que no hemos visto antes. No podemos permitirnos bajar la Guardia», dice Surrette.

Claire Jarvis es una escritora científica con sede en Atlanta, Estados Unidos