Revisión acerca de las Infecciones por Múltiples Cepas Microbianas

• AUTOR : Balmer O, Tanner M
• TITULO ORIGINAL : Prevalence and Implications of Multiple-Strain Infections
• CITA : Lancet Infectious Diseases 11(11):868-878, Nov 2011
• MICRO : Las infecciones por cepas múltiples de microorganismos son un fenómeno mucho más frecuente de lo que se cree, aunque su demostración es técnicamente dificultosa.

Introducción

Aunque los patógenos suelen considerarse entidades uniformes, cada vez hay más datos de que las infecciones suelen estar provocadas por más de una especie o de una cepa microbiana. Sin embargo, hay pocas publicaciones referidas a las infecciones por múltiples cepas de microorganismos, posiblemente por las dificultades técnicas para distinguir las cepas individuales.

En esta revisión, los autores buscaron reflejar el aumento de la prevalencia de las infecciones por cepas múltiples de protozoos, helmintos, bacterias, hongos y virus, y sus posibles consecuencias. Se centraron en estudios empíricos, pero también incluyeron modelos teóricos para ilustrar algunos conceptos.

Definiciones y estrategia

Existe gran heterogeneidad en las distintas áreas de investigación en cuanto a los términos «cepa», «genotipo», «clon» y «aislamiento». Aquí los autores utilizaron «cepa», sin que ello implique que la definición sea más correcta que otras. Como definición general, las cepas son homogéneas dentro de las especies. Las definiciones varían en función de los rasgos usados y el grado de homogeneidad que se necesita para delinear las cepas; pueden depender de los métodos disponibles para la discriminación y de que se planteen las preguntas adecuadas en los distintos estudios. Las cepas pueden ser definidas por su homogeneidad en las secuencias de ADN no codificantes (por ejemplo, microsatélites) o por rasgos específicos genéticamente determinados (por ejemplo, resistencia a fármacos, factores de virulencia). A veces, también se definen a partir de sus características estructurales (por ejemplo, epítopes) o características clínicas (por ejemplo, síntomas que provocan). En la práctica, el término «cepa» a veces se usa como sinónimo de aislamiento (o aislamiento en cultivos). Esta definición es problemática porque los aislamientos pueden contener diversas cepas genéticas y diferentes aislamientos pueden consistir en poblaciones idénticas de patógenos que comparten la misma secuencia genómica en su descendencia.

Las cepas son importantes porque pueden diferir notablemente en diversos rasgos, como sus tasas de crecimiento, virulencia, poder patógeno, capacidad antigénica y resistencia a los fármacos. La clasificación de los patógenos en cepas, por ende, tiene valor práctico. Sin embargo, por la poca asiduidad del uso del término «cepa», los investigadores siempre deben establecer qué definición utilizan a fin de evitar malentendidos.

En esta revisión sólo se considerarán las definiciones genéticas y, en los análisis de trabajos empíricos publicados, las usadas por los respectivos autores.

Detección de infecciones por cepas múltiples

La probabilidad de detectar infecciones por cepas múltiples varía en función de los métodos usados. Pueden detectarse por cualquier método estándar de tipificación capaz de distinguir cepas individuales; por ejemplo, polimorfismos de nucleótido único; análisis de microsatélites, minisatélites o polimorfismo de longitud de fragmentos de restricción; reacción en cadena de la polimerasa específica para amplificación de material genético de las especies de microorganismos; electroforesis enzimática multifocal; tipificación de secuencias multifocales o pirosecuenciación.

Las infecciones por cepas microbianas múltiples se detectan por el registro de más alelos en un locus de los posibles en sólo una cepa (por ejemplo, más de 2 alelos microsatélites en un locus diploide) o por la identificación de genotipos disímiles es distintos clones (por ejemplo, desarrollo de poblaciones de un solo patógeno) en un mismo aislamiento.

Los métodos indirectos para inferir la aparición de infecciones por cepas múltiples- como la detección de anticuerpos o genotipos recombinantes- no fueron aceptados en esta revisión porque no distinguen entre infecciones secuenciales y concurrentes.

Para muchos patógenos, no es posible aplicar una técnica de tipificación o sólo hay una con resolución limitada. La prevalencia de infecciones por cepas múltiples obtenida por cualquier método es una subestimación, ya que las cepas raras son difíciles de identificar y pocas veces pueden excluirse por completo los falsos negativos. Los virus (y otros patógenos con altas tasas de mutación) deben ser tratados con mucho cuidado. Muchos virus tienen tasas de replicación y mutación tan altas que las aparentes infecciones por cepas múltiples pueden ser el resultado de su evolución dentro del hospedero y no de infecciones inicialmente provocadas por esas cepas.

Prevalencia de las infecciones por cepas múltiples

Hasta el momento se registraron infecciones inequívocas por múltiples cepas de microorganismos en relación con 51 patógenos humanos y 21 patógenos no humanos, cifras que sugieren que estas entidades son frecuentes. Sin embargo, los parásitos representarían más del 50% de todas las especies vivientes y se describieron científicamente cerca de 2 000 000 de especies, así que estos números son escasos. No obstante, los datos muestran que cuando los investigadores buscan específicamente las infecciones por cepas múltiples con métodos genéticos adecuados, las encuentran. La ausencia de más hallazgos empíricos probablemente indique la escasez de métodos o de atención.

Una mediana de 11.3% (intervalo intercuartil: 6.2-25.4; media: 21.7% [desviación estándar: 22.5]) de todas las infecciones por patógenos humanos contiene cepas múltiples. Por ello, estas infecciones no son eventos raros que puedan ser ignorados. Las prevalencias son estimaciones burdas porque el tamaño de la muestra fue muy pequeño en muchos estudios y porque varían en tiempo y espacio, además de con los métodos utilizados. Estas prevalencias están basadas en datos obtenidos de cultivos en medios artificiales o ratones de laboratorio, por medios genéticos o ambos. Los autores señalan que las infecciones por cepas múltiples se producen con la mayoría de las especies de patógenos y, a medida que los métodos moleculares más potentes se utilicen con mayor frecuencia, aumentará la lista de especies de patógenos.

Consecuencias de las infecciones por cepas múltiples

En el caso de muchos patógenos no se conocen las consecuencias de las infecciones por cepas múltiples, principalmente porque no han sido motivo de estudio. Si bien se conocen algunos mecanismos acerca de cómo las infecciones por cepas múltiples afectan la dinámica de las infecciones, otros no se demostraron empíricamente. Las frecuencias de las distintas cepas deben ser investigadas a lo largo del tiempo en un individuo, lo cual resulta dificultoso; además, determinados mecanismos no se investigaron en seres humanos por complejidades operacionales y técnicas. Una forma de abordar el análisis de los patógenos en el ser humano es a partir de los estudios clínicos (especialmente, de fases II y III) o los estudios de transmisión relacionados, ya que cumplen con las guías de práctica clínica y de laboratorio y con los procedimientos estandarizados; además, se desarrollan en condiciones controladas.

Los mecanismos fisiopatogénicos de las infecciones por cepas múltiples pueden superponerse con los de las coinfecciones con más de una especie de patógenos.

Respuesta inmunitaria

Las infecciones por cepas múltiples pueden superar el sistema inmunitario del hospedero. La mayor cantidad de epítopes antigénicos estimula la activación y la proliferación de más líneas linfocitarias, lo que amplifica la demanda de recursos del hospedero. Si bien este razonamiento resulta tentador, pocos estudios lo demostraron. En áreas de alta transmisión de Plasmodium falciparum, la mayor cantidad de cepas coinfectantes aumenta las probabilidades de paludismo clínico en los bebés menores de un año, pero la correlación se invierte en los mayores de un año, en quienes el incremento de cepas coinfectantes se correlaciona con menor riesgo de contraer la enfermedad. El efecto se debería a un fenómeno de premunización (resistencia a nuevas infecciones por una infección causada por otras cepas). Como consecuencia, en las áreas de baja transmisión, la cantidad de cepas coinfectantes se relaciona con la probabilidad de contraer la enfermedad independientemente de la edad. Parece haber una relación lineal entre la cantidad de cepas coinfectantes y el riesgo de enfermedad, por la cual los niveles de inmunidad adquirida son bajos, pero la asociación se atenúa a medida que la inmunidad adquirida se fortalece.

En las personas infectadas por VIH-1, las infecciones por cepas múltiples se asocian con una progresión más rápida de la enfermedad desde la seroconversión hasta el sida (2 a 4 años en lugar de 8 a 10), pero los mecanismos de acción subyacentes se desconocen. Los más probables son la mayor carga total de patógenos, la adaptación acelerada a nichos dentro del hospedero, por una variabilidad genética mayor dentro de la población viral, o un mecanismo de escape a la respuesta inmunitaria mediado por la diversidad genética.

Tratamiento y vacunación

Las cepas pueden diferir en su susceptibilidad a los fármacos, como se ve con las especies resistentes. Las mezclas de distintas cepas aumentan las posibilidades de que los hospederos infectados alberguen cepas resistentes al tratamiento. En ámbitos en los que hay administración habitual de fármacos (como los hospitales) o en las enfermedades contra las que se aplican vacunas con cepas específicas, las infecciones por cepas múltiples favorecen la aparición de cepas resistentes que en otras circunstancias serían raras o menores.

En el caso de patógenos específicos en los que la resistencia al tratamiento es un problema (por ejemplo, estafilococos coagulasa-negativos), se genotipifica un clon para evaluar la resistencia y los tratamientos se deciden acuerdo con el perfil de resistencia de dicho clon. Esta estrategia es problemática en presencia de infecciones por cepas múltiples, porque las otras cepas que escapen a la detección podrían ser resistentes a distintos fármacos, y los tratamientos implementados podrían resultar ineficaces. Ante infecciones por cepas múltiples, esta estrategia debe modificarse por un protocolo en el que se genotipifiquen múltiples clones y, si la infección persiste, se genotifipican nuevos clones.

Las infecciones por cepas múltiples de Leishmania infantum y Mycobacterium tuberculosis complican los tratamientos. En un paciente con L. infantum se identificó una cepa MON-1 y se le indicó un tratamiento estándar. Sin embargo, la infección persistió y una nueva genotipificación detectó la presencia de otra cepa (MON-98) que era resistente al tratamiento instaurado y se eliminó con otro fármaco. El análisis experimental de las 2 cepas mostró que, sin fármacos, MON-1 supera en crecimiento a MON-98 por una tasa de crecimiento mayor, por lo que la segunda cepa no se detectó inicialmente. La administración de fármacos activos contra MON-1 liberó a MON-98 de la supresión competitiva de MON-1. Seguramente, ambas cepas aparecieron de manera simultánea en el paciente, pero no se detectaron a la vez porque la muestra fue insuficiente para identificar la cepa más rara.

En un paciente con infección por M. tuberculosis una cepa susceptible fue la dominante antes de un tratamiento con tuberculostáticos de primera línea. Una vez eliminada, se detectó otra cepa que requirió drogas de segunda línea. Sin la genotipificación, que confirmó la presencia de cepas distintas, la interpretación clínica hubiera sido la aparición de resistencia en la cepa inicial.

La selección de genotipos no dirigidos por vacunas polivalentes genotípicamente específicas se identificó en estudios clínicos sobre la vacuna contra el paludismo de combinación B contra P. falciparum y las antineumocócicas pentavalentes y 23-valentes. En ambos casos, los genotipos dirigidos se redujeron significativamente, mientras que algunos no incluidos en la vacuna aumentaron en alto grado. Las cepas de P. falciparum, basadas en el genotipo del antígeno 2 de superficie del merozoíto, produjo distintas morbilidades: los genotipos similares a FC27 tenían el doble de probabilidad de provocar paludismo clínico que los genotipos similares a 3D7.

La experiencia de la vacunación y de los estudios de vacunación indican la necesidad de desarrollar vacunas con antígenos conservados dirigidos contra la mayor cantidad posible de cepas para reducir al mínimo las posibilidades de que la vacunación sólo modifique las frecuencias relativas de determinados genotipos.

Interacciones competitivas entre patógenos

La competición puede adoptar tres formas. Primero, en la competición por interferencia directa, las cepas secretan sustancias que pueden alterarse entre sí. La excreción de toxinas contra cepas competitivas es un mecanismo bien conocido en el caso de las infecciones por Escherichia coli (como las colicinas, activas contra otras cepas, pero a las que son resistentes). La misma dinámica puede verse en las infecciones por Haemophilus influenzae y Streptococcus mutans. La agresión física contra otras cepas (por ejemplo, la ingesta o la disrupción de la membrana) tendría efectos idénticos, pero no hay pruebas de este mecanismo.

Segundo, la competición por los recursos es una forma indirecta de competición en la cual una cepa utiliza recursos limitados del hospedero que, por ende, no quedan disponibles para otras cepas. Los recursos pueden ser nutrientes o espacio (por ejemplo, patógenos como Plasmodium spp compiten por eritrocitos no infectados).

Tercero, la competición también puede estar mediada por el sistema inmunitario mediante la llamada «competición aparente». Este término se usó por primera vez para describir la competición indirecta entre especies de presa no relacionadas que tenían un predador en común. La densidad de ambas poblaciones de presas afectaba la densidad de la de los predadores y, así, la magnitud de exposición de la otra especie. En la competición aparente mediada por el sistema inmunitario, las células efectoras de éste actúan como el predador en común. Al activar la respuesta inmunitaria, la cepa A afecta la cepa B si la respuesta es cruzada con ella. El mecanismo se demostró experimentalmente en infecciones por cepas múltiples con P. chabaudi.

La acción de la competición aparente también puede inferirse a partir de los patrones de antigenicidad de un patógeno. A medida que la reactividad cruzada disminuye con el incremento de las diferencias antigénicas y las cepas sufren por ser demasiado similares entre sí, se seleccionan para diferenciarse en tipos antigénicos con poca superposición antigénica. Este proceso podría derivar en la distribución de las cepas observada en la naturaleza de Neisseria meningitidis y el virus del dengue.

En el caso del paludismo por P. falciparum, la protección contra la infección por una nueva cepa, debida a la presencia de cepas previas (premunización), está bien establecida. Junto con la semiinmunidad que comienza a aparecer en la adolescencia temprana, la premunización deriva en la dependencia de la edad de cepas coinfectantes de P. falciparum. La dependencia de la edad de las cepas coinfectantes podría ser un marcador para identificar en qué otras enfermedades la premunización y la inmunidad parcial cumplen una función destacada.

Distinguir los distintos tipos de competición no es sencillo. Por ejemplo, una cepa de P. chabaudi infectó 3 días después de otra cepa con una tasa de crecimiento más lenta. Esta tasa menor podría deberse a una respuesta inmunitaria dirigida a la primera cepa. Sin embargo, la primera infección también redujo la cantidad de glóbulos rojos, es decir, el espacio disponible para la invasión de la segunda cepa. El efecto negativo sobre la segunda cepa podría atribuirse, entonces, a la competición aparente mediada por la inmunidad, la competición por recursos o una combinación de ambas.

Las infecciones por múltiples cepas de microorganismos también tienen ventajas para el hospedero en relación con las infecciones simples. Estos beneficios son clínicamente relevantes si los cambios en la dinámica del patógeno se traducen en efectos alterados en el hospedero, como se registró en el caso de 2 cepas de Trypanosoma brucei con distinta virulencia. Los hospederos infectados con ambas cepas sobrevivieron más tiempo que los infectados sólo con la cepa más virulenta a pesar de haber recibido la dosis (máxima) infectante acumulada, ya que ambas cepas se suprimían mutuamente. La competición entre ellas beneficiaba al hospedero al reducir la población de la cepa más virulenta.

Las cepas que compiten entre sí pueden controlarse, de forma similar a las células de las especies no patógenas en la microflora intestinal y, posiblemente, existen casos en los que el tratamiento puede provocar peores resultados que la falta de éste.

En las áreas con paludismo endémico, las reinfecciones constantes mantienen una inmunidad protectora (premunización) contra nuevas cepas infectantes. Entonces, las infecciones por cepas múltiples que causan enfermedades crónicas aumentan la protección contra las infecciones más virulentas. Cuando las personas de estas áreas endémicas con inmunidad parcial salen de ellas durante períodos prolongados, pierden parte de esta condición y son más propensas a las infecciones clínicas a su regreso.

Otro ejemplo de inmunidad protectora proviene de la fiebre recurrente transmitida por garrapatas, causada por espiroquetas del género Borrelia en Africa del este. La población local que desarrolló una inmunidad parcial contra la fiebre recurrente es consciente de que un contacto escaso con el vector aumenta su riesgo de presentarla. Por ende, los individuos que dejan las áreas endémicas suelen llevarse garrapatas para mantener la inmunidad.

Los dos ejemplos sugieren que la falta de tratamiento de las infecciones asintomáticas por cepas múltiples puede ser mejor, ya que tratarlas disminuye la protección contra enfermedades más graves.

A partir del concepto de que distintas especies no pueden convivir en el mismo nicho ecológico (concepto denominado «principio de competición por exclusión»), los investigadores proponen que la superinfección con una cepa de mayor competitividad podría usarse para eliminar las cepas resistentes a los antibióticos. Sin embargo, hasta el momento, la competición por exclusión nunca se demostró cabalmente.

Interacciones mutuas entre patógenos

Muchos patógenos tienen propiedades inmunosupresoras mediante las cuales una cepa reduce el efecto de la inmunidad sobre otras. El aumento relativo de la supresión y la densidad de las cepas determinará los beneficios de las distintas cepas.

Hay otros dos mecanismos que involucran la respuesta inmunitaria. Primero, los epítopes específicos de las cepas pueden actuar como ligandos alterados que inhiben la respuesta inmunitaria a otros epítopes de otra cepa. Este proceso se demostró experimentalmente en 2 variantes naturales de paludismo con epítopos para células T citotóxicas de P. falciparum. Cada epítope disminuye notablemente la respuesta inmunitaria contra el otro. Ambos aparecen con una frecuencia mayor que la atribuible al azar.

El segundo mecanismo es el denominado del «pecado antigénico original». Aquí, los epítopes de una cepa disparan erróneamente una respuesta inmunitaria originalmente dirigida contra otro epítope similar y para el cual ya existía una memoria inmunitaria previa. La síntesis de anticuerpos contra epítopes de cepas infectantes previas bloquea la creación de nuevos anticuerpos contra epítopes específicos. Por ende, la respuesta es menos eficaz contra la cepa que la disparó, lo cual beneficia indirectamente la cepa en comparación con la respuesta que se hubiera producido en un hospedero virgen. Este mecanismo se relaciona con infecciones consecutivas, pero también podría desempeñar un papel en las infecciones por cepas múltiples, especialmente si una de ellas es más abundante o crece con más rapidez que las otras. Todas las interacciones mutuas inhiben la eliminación del patógeno, por lo que se consideran perjudiciales para el hospedero.

Evolución de la virulencia de las cepas y otros rasgos de los patógenos

La evolución de los patógenos depende no sólo de raras mutaciones de novo sino también de cambios en las frecuencias de los alelos, lo que puede suceder rápidamente ante fuertes presiones de selección. Estas presiones están representadas por las respuestas inmunitarias del hospedero y el uso de fármacos. La diseminación de la resistencia a los antibióticos y su relación con la cantidad de antibióticos indicados es un ejemplo fundamental y un motivo de preocupación para la comunidad médica.

Según la teoría, la competición entre las cepas provocará que las cepas individuales de patógenos evolucionen hacia una mayor virulencia. Este proceso se da porque la mayoría de los patógenos enfrenta un equilibrio entre su replicación y la supervivencia del hospedero que asegure su transmisión. Si el hospedero tiene una infección, la selección favorecerá una virulencia intermedia óptima que equilibre la explotación del hospedero con las posibilidades de transmisión. Si más de una cepa compite en el mismo individuo, las presiones de selección se modificarán. Las cepas del patógeno se seleccionarán según el uso de recursos o el crecimiento, lo que aumentará su capacidad de competición y sus probabilidades de supervivencia y transmisión y, en consecuencia, la virulencia.

Este razonamiento resulta interesante y sería ampliamente aceptado, pero no hay datos empíricos que lo respalden. Las investigaciones en ratones con paludismo indicaron que las cepas más virulentas son competitivamente superiores, pero nada sugiere que la virulencia de las cepas individuales evolucione en respuesta a las infecciones por cepas múltiples. La teoría es difícil de demostrar por las dificultades para distinguir las cepas y sus cambios individuales. La selección natural favorecerá adaptaciones para evadir la respuesta inmunitaria del hospedero y transferir ventajas competitivas a otras cepas, lo cual generará efectos negativos en el hospedero.

Los patógenos pueden cooperar entre sí para producir bienes necesarios comunes para el crecimiento de la población (por ejemplo, sideróforos bacterianos). Las infecciones por cepas múltiples pueden seleccionar los llamados «genotipos tramposos», que explotan estos productos comunes sin producirlos ellos mismos. Los pruebas experimentales de estos mecanismos provienen de trabajos sobre un bacteriófago y Pseudomonas aeruginosa. Sin embargo, en estos casos la virulencia se define como un rasgo de la población patógena en general y no de una cepa individual, y la hipótesis no predice una mayor virulencia de las cepas individuales.

Para la evolución de los patógenos, la proporción de hospederos individuales infectados por cepas múltiples sería menos importante que la de las cepas expuestas a otras cepas. Estos datos son técnicamente difíciles de obtener.

Intercambio genético entre cepas de patógenos

Las infecciones por cepas múltiples son un requisito necesario para la recombinación entre cepas y facilitan la generación de nuevas variantes que pueden evitar los fármacos, las vacunas o la respuesta inmunitaria. Las recombinaciones, además, alteran genotipos nuevamente formados, y los patógenos que se recombinan en ocasiones, pero se reproducen principalmente de forma clonal, tienen mayores posibilidades de evolucionar rápidamente con variantes de escape. El principal ejemplo es el virus de la gripe A, en el que los reacomodamientos surgidos entre las cepas circulantes en los seres humanos y las aves habrían provocado cambios antigénicos que dieron lugar a las pandemias. Otros ejemplos comprenden el caso de Vibrio cholerae y Trypanosoma brucei rhodesiense, causante de la enfermedad del sueño en Africa del este.

En el caso de los patógenos que se enfrentan con tratamientos múltiples, la recombinación facilita la resistencia a diversos fármacos. Las grandes variaciones genéticas provocadas por las recombinaciones también favorecen la evolución de cepas más virulentas. La transferencia horizontal de genes es muy común entre las bacterias y tiene los mismos efectos.

Conclusiones

Esta revisión aportó pruebas sólidas de que las infecciones por múltiples cepas de microorganismos son una norma y no una excepción. Los resultados de los estudios en seres humanos y en animales indicaron que estas infecciones pueden alterar la dinámica y la transmisión de los patógenos, aunque aún no se comprenden los mecanismos de estos fenómenos. Si bien se propusieron diversas hipótesis, faltan trabajos empíricos que las demuestren.

Se requieren más investigaciones que ayuden a ampliar los conocimientos de estas entidades y sus consecuencias, para definir las estrategias adecuadas para tratarlas y predecir los eventos futuros relacionados con las interacciones entre las cepas, como la aparición de nuevas cepas recombinantes y de epidemias por nuevas variantes.

Especialidad: Bibliografía - Infectología