INFLUENCIA DE LA CONCENTRACIÓN DE CO2 EN LA REGULACIÓN DEL ESTRÉS OXIDATIVO GENERADO POR ANTIBIÓTICOS

VIVIANA CANO ARISTIZÁBAL; PAULINA L PÁEZ

Córdoba

Exposición; Tesis en 3 minutos; 2018

Universidad Nacional de Córdoba

El estrés oxidativo es causado por exposición a especies reactivas del oxígeno (ERO) como anión superóxido (O2?-), peróxido de hidrogeno (H2O2) y radical hidroxilo (OH?), los cuales pueden dañar proteínas, ácidos nucleicos y membranas celulares. Como consecuencia, se generan una variedad de alteraciones bioquímicas y fisiológicas que pueden resultar en diversas formas de daño celular. Para contrarrestar el estrés oxidativo, las células censan incrementos de ERO y transducen señales para incrementar sus defensas (1-4). Estas especies del oxígeno también pueden ser generadas por causas exógenas como la exposición a radiaciones, luz, metales, drogas, etc. (5). Diversas sustancias afectan las ERO producidas durante los procesos metabólicos en bacterias, de modo que se ha podido observar alteración del equilibrio oxidativo en presencia de diferentes agentes externos. El estrés por antibióticos afecta géneros bacterianos con diferente tipo de metabolismo oxidativo, por ejemplo, Pseudomonas aeruginosa, una bacteria no fermentadora; Enterococcus faecalis, un microorganismo fermentador; Escherichia coli, un anaerobio facultativo con importante actividad superóxido dismutasa (SOD) y S. aureus, con menor actividad SOD citoplasmática que extracelular (6). Asimismo, en los últimos años se han descripto algunos antibióticos como estimulantes de estrés oxidativo, incluyendo a ciprofloxacina (CIP) como causa de incremento de O2?- en S. aureus y E. coli. Se vio que CIP genera aumento de ERO en cepas sensibles de S. aureus llevando a un estado de estrés oxidativo mientras que las cepas resistentes no sufren estrés (7-9). Estudios previos realizados en bacterias demostraron que el estrés oxidativo incrementa la susceptibilidad del 70 % de las cepas a ampicilina y cloranfenicol, del 50 % de las cepas a cloxacilina y tetraciclina y de un 40 % de las cepas a eritromicina, pero no se afecta la susceptibilidad a vancomicina y kanamicina (10,11).Más recientemente se ha descripto que las clases más importantes de ATBs bactericidas estimulan la producción de HO? en bacterias Gram positivas y Gram negativas, lo cual contribuye a la muerte celular. El mecanismo de la formación del HO? inducido por ATBs bactericidas es el producto del daño oxidativo y muerte celular que involucra el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, una disminución de NADH y la estimulación de la reacción de Fenton. La generación de altos niveles de radicales podría ser responsables de la letalidad y debe sumarse a la serie de eventos intracelulares que acompañan el mecanismo de acción primario del ATB (12). El CO2 es un subproducto mayoritario del metabolismo celular. Además, constituye el principal sistema buffer de pH fisiológico en organismos eucariotas y es necesario para el crecimiento de muchos microorganismos. Los niveles de CO2 se han convertido en un importante punto de enfoque de la comunidad mundial debido a su contribución al efecto invernadero (13). La concentración atmosférica de CO2 es actualmente de 389 ppm (0,039 %), y las proyecciones climáticas más desfavorables predicen un aumento a concentraciones de 1.000 ppm (0,1 %) en 2100 (14). Un gran aumento en la concentración de CO2 (al 1 % o 10 %) se sabe que afecta reacciones bioquímicas a nivel celular que conducen a un incremento en el estrés oxidativo intracelular en neutrófilos humanos (15), inflamación pulmonar en el ratón (16) y aumento de la virulencia de diferentes patógenos bacterianos (17). Sin embargo, las concentraciones actuales no son de este orden de magnitud; por lo tanto, los efectos probables, directos del CO2 sobre los organismos que viven en las concentraciones previstas siguen sin estar claros.Existen diferentes productos resultantes del daño por radicales libres que incluyen peróxidos lipídicos, isoprostanos, productos de hidroxilación del ADN y residuos carbonilo. La capacidad de los microorganismos para desintoxicar las ERO continuamente es crítica para su supervivencia. En condiciones normales, las células constitutivamente producen bajos niveles de enzimas, por ejemplo, peroxidasas y SOD las cuales protegen contra los niveles ambientales de ERO. Los sistemas antioxidantes previenen la formación descontrolada de radicales libres y ERO e inhiben su reacción con estructuras biológicas. La función antioxidante desempeñada por las enzimas puede presentar ventajas frente a los compuestos antioxidantes no enzimáticos debido a que éstas pueden encontrarse preformadas o inducirse bajo condiciones de estrés. La enzima superóxido dismutasa (SOD) es una metaloproteína que cataliza la dismutación de O2-, la primera ERO producida por la reducción del oxígeno. La SOD, convierte el O2- en H2O2 y O2 no sólo para protegerse del daño directo causado por el O2-, sino también por la toxicidad indirecta del O2- previniendo reacciones catalíticas dependientes de Fe2+ que llevan a la producción de HO? mediante las reacciones de Haber?Weiss y Fenton (18,19). Además, moléculas antioxidantes como el glutatión actúan frente a numerosos compuestos oxidantes, tales como O2?-, H2O2, OH?, especies reactivas del carbono, protegiendo membranas lipídicas y proteínas, lo cual constituye una respuesta adaptativa al incremento basal del daño oxidativo (20). La capacidad de los microorganismos para desintoxicar las ERO continuamente es crítica para su supervivencia. En condiciones normales, las células constitutivamente producen bajos niveles de enzimas, por ejemplo, peroxidasas y SOD las cuales protegen contra los niveles ambientales de ERO. Bajo condiciones de estrés oxidativo, la transcripción de los genes para estos y otras proteínas es fuertemente up-regulado. PerR en S. aureus, controla la transcripción de catalasa (CAT), alquil hidroperóxido reductasa, bactioferritina, peroxidasa tiol-dependiente y tioredoxina reductasa (21)La inducción de peroxidasas protege contra el incremento en la peroxidación lipídica así como en el daño a proteínas (22). Además, moléculas antioxidantes como el glutatión reducido (GSH) actúan frente a numerosos compuestos oxidantes, tales como H2O2, O2-, OH?, especies reactivas del carbono, protege membranas lipídicas y proteínas, lo cual constituye una respuesta adaptativa al incremento basal del daño oxidativo (23,24). Es aceptado que las enzimas antioxidantes pueden ser inducidas o reprimidas por diferentes factores, tal es el caso de CAT, cuya expresión es reprimida por OxyR e inducida por peróxido de hidrógeno mediante la desrepresión de OxyR. El incremento de CAT no es primordial para el crecimiento y sobrevida de las bacterias en ciertas condiciones estresantes, pero sí lo es para defenderse de la bursa oxidativa de los macrófagos (25,26).Las defensas antioxidantes no dependen de una determinada enzima o componente de las células, sino que son afectadas por todos los sistemas enzimáticos (SOD, CAT, NADH oxidasa y NADH peroxidasa) y no enzimáticos (ascorbato, tocoferoles, GSH, Mn2+) que tienen la capacidad de reducir radicales del oxígeno (27).Se realizaron importantes avances en el estudio del aspecto genético que regula el estrés oxidativo en los microorganismos provocado por causas distintas a la acción de antibióticos. En E. coli, los regulones de la respuesta antioxidante mejor caracterizados son las proteínas OxyR y SoxR que tienen la capacidad de traducir las señales oxidativas en regulación genética. SoxR regula la expresión de la enzima SOD, del gen mar que confiere resistencia a múltiples antibióticos y de los genes acrAB que codifican para las bombas de eflujo de antibióticos, entre otros. La inducción del regulón marRAB resulta en una resistencia aumentada a agentes oxidantes y a múltiples antibióticos. La transcripción de marRAB que regula al gen inaA, puede ser inducida por ácidos débiles, como el salicilato y otros. Se ha reportado también que estos genes intervienen en la regulación de la resistencia a antibióticos, induciendo en E. coli un fenotipo con múltiple resistencia, en parte, debido a la disminución de la permeabilidad de la membrana externa a los antibióticos (28,29).Se ha demostrado que OH? y/o H2O2, reaccionan in vivo con CO2 de diferentes maneras: (i) el CO2 exacerba la toxicidad de H2O2 en una manera dependiente de la dosis, (ii) la letalidad aeróbica de mutantes recA, fur y Hpx-dps es dependiente de CO2; (iii) la mutagénesis inducida por H2O2 y los niveles de 8-oxoguanina son dependientes de CO2, y (iv) el contenido de residuos carbonilo en la exposición a H2O2 es dependiente de CO2 (30-32). De acuerdo a los resultados obtenidos en nuestro grupo de trabajo y a los antecedentes expuestos, se puede afirmar que el estrés oxidativo causado por antibióticos sería otro factor involucrado en el mecanismo de acción de los mismos. Este nuevo aspecto relacionado al efecto de antibióticos en bacterias, podría explicar previas investigaciones en las cuales se observó que las mismas pueden hacerse resistentes simultáneamente a oxidantes y a antibióticos, sugiriendo una posible relación entre oxidación y acción antibiótica. El interés por el plan de trabajo propuesto radica en la integración de los conocimientos sobre el mecanismo de acción de antibióticos, principalmente en la generación de estrés oxidativo, y en la profundización de la investigación de este aspecto. Este estudio, a la vez proporcionará evidencia de la participación de concentraciones atmosféricas de CO2 en el estrés oxidativo generado por antibióticos. Este hecho, puede ser de gran interés ecológico, con importantes implicancias para la vida en la Tierra.