Saúde

Bactérias projetadas podem ajudar a proteger micróbios intestinais 'bons' de antibióticos
Os micróbios que decompõem com segurança os antibióticos podem prevenir infecções oportunistas e reduzir a propagação da resistência aos antibióticos.
Por Anne Trafton - 11/04/2022


Pesquisadores do MIT projetaram uma cepa de bactéria, identificada como L. lactis spTEM1 na imagem, que pode ajudar a proteger a flora natural do trato digestivo humano de antibióticos e prevenir o desenvolvimento de infecções oportunistas, como C. difficile. Créditos: Cortesia dos pesquisadores, editado pelo MIT News

Os antibióticos são medicamentos que salvam vidas, mas também podem prejudicar os micróbios benéficos que vivem no intestino humano. Após o tratamento com antibióticos, alguns pacientes correm o risco de desenvolver inflamação ou infecções oportunistas, como Clostridiodes difficile . O uso indiscriminado de antibióticos em micróbios intestinais também pode contribuir para a disseminação da resistência aos medicamentos.

Em um esforço para reduzir esses riscos, os engenheiros do MIT desenvolveram uma nova maneira de ajudar a proteger a flora natural do trato digestivo humano. Eles pegaram uma  cepa de bactéria que é segura para consumo humano e a projetaram para produzir com segurança uma enzima que decompõe uma classe de antibióticos chamados beta-lactâmicos. Estes incluem ampicilina, amoxicilina e outros medicamentos comumente usados.

Quando esse “bioterapêutico vivo” é administrado junto com antibióticos, ele protege a microbiota no intestino, mas permite que os níveis de antibióticos que circulam na corrente sanguínea permaneçam altos, descobriram os pesquisadores em um estudo com camundongos.

“Este trabalho mostra que a biologia sintética pode ser aproveitada para criar uma nova classe de terapias de engenharia para reduzir os efeitos adversos dos antibióticos”, diz James Collins, professor Termeer de Engenharia e Ciências Médicas do Instituto de Engenharia e Ciências Médicas (IMES) do MIT. e Departamento de Engenharia Biológica, e o autor sênior do novo estudo.

Andres Cubillos-Ruiz PhD '15, pesquisador do IMES e do Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering da Universidade de Harvard, é o principal autor do artigo, que aparece hoje na Nature Biomedical Engineering . Outros autores incluem os estudantes de pós-graduação do MIT Miguel Alcantar e Pablo Cardenas, a cientista da equipe do Wyss Institute, Nina Donghia, e o cientista de pesquisa do Broad Institute, Julian Avila-Pacheco.

Protegendo o intestino

Nas últimas duas décadas, pesquisas revelaram que os micróbios no intestino humano desempenham papéis importantes não apenas no metabolismo, mas também na função imunológica e na função do sistema nervoso.

“Ao longo de sua vida, esses micróbios intestinais se reúnem em uma comunidade altamente diversificada que realiza funções importantes em seu corpo”, diz Cubillos-Ruiz. “O problema surge quando intervenções como medicamentos ou tipos específicos de dietas afetam a composição da microbiota e criam um estado alterado, chamado disbiose. Alguns grupos microbianos desaparecem e a atividade metabólica de outros aumenta. Esse desequilíbrio pode levar a vários problemas de saúde.”

Uma complicação importante que pode ocorrer é a infecção por C. difficile , um micróbio que normalmente vive no intestino, mas não costuma causar danos. Quando os antibióticos matam as cepas que competem com C. difficile , no entanto, essas bactérias podem assumir o controle e causar diarréia e colite. O C. difficile infecta cerca de 500.000 pessoas todos os anos nos Estados Unidos e causa cerca de 15.000 mortes.

Os médicos às vezes prescrevem probióticos (misturas de bactérias benéficas) para pessoas que tomam antibióticos, mas esses probióticos geralmente também são suscetíveis a antibióticos e não replicam totalmente a microbiota nativa encontrada no intestino.

“Os probióticos padrão não podem se comparar à diversidade que os micróbios nativos têm”, diz Cubillos-Ruiz. “Eles não podem realizar as mesmas funções que os micróbios nativos que você nutriu ao longo de sua vida.”

Para proteger a microbiota dos antibióticos, os pesquisadores decidiram usar bactérias modificadas. Eles projetaram uma cepa de bactéria chamada Lactococcus lactis , que normalmente é usada na produção de queijo, para fornecer uma enzima que decompõe os antibióticos beta-lactâmicos. Esses medicamentos representam cerca de 60% dos antibióticos prescritos nos Estados Unidos.

Quando essas bactérias são administradas por via oral, elas povoam transitoriamente os intestinos, onde secretam a enzima, que é chamada de beta-lactamase. Essa enzima então decompõe os antibióticos que atingem o trato intestinal. Quando os antibióticos são administrados por via oral, os medicamentos entram na corrente sanguínea principalmente a partir do estômago, de modo que os medicamentos ainda podem circular no corpo em níveis elevados. Essa abordagem também pode ser usada junto com antibióticos que são injetados, que também acabam chegando ao intestino. Depois que seu trabalho é concluído, as bactérias manipuladas são excretadas pelo trato digestivo.

O uso de bactérias projetadas que degradam antibióticos apresenta requisitos de segurança exclusivos: as enzimas beta-lactamase conferem resistência a antibióticos às células que abrigam e seus genes podem se espalhar facilmente entre diferentes bactérias. Para resolver isso, os pesquisadores usaram uma abordagem de biologia sintética para recodificar a maneira como a bactéria sintetiza a enzima. Eles dividiram o gene da beta-lactamase em duas partes, cada uma das quais codifica um fragmento da enzima. Esses segmentos de genes estão localizados em diferentes pedaços de DNA, tornando muito improvável que ambos os segmentos de genes sejam transferidos para outra célula bacteriana.

Esses fragmentos de beta-lactamase são exportados para fora da célula onde se reagrupam, restaurando a função enzimática. Como a beta-lactamase agora está livre para se difundir no ambiente circundante, sua atividade se torna um “bem público” para as comunidades bacterianas intestinais. Isso impede que as células modificadas ganhem vantagem sobre os micróbios intestinais nativos.  

“Nossa estratégia de biocontenção permite a entrega de enzimas degradantes de antibióticos ao intestino sem o risco de transferência horizontal de genes para outras bactérias ou a aquisição de uma vantagem competitiva adicional pelo bioterapêutico vivo”, diz Cubillos-Ruiz.

Mantendo a diversidade microbiana

Para testar sua abordagem, os pesquisadores deram aos camundongos duas doses orais das bactérias manipuladas para cada injeção de ampicilina. As bactérias manipuladas chegaram ao intestino e começaram a liberar beta-lactamase. Nesses camundongos, os pesquisadores descobriram que a quantidade de ampicilina circulando na corrente sanguínea era tão alta quanto a dos camundongos que não receberam as bactérias manipuladas.

No intestino, os camundongos que receberam bactérias manipuladas mantiveram um nível muito mais alto de diversidade microbiana em comparação com camundongos que receberam apenas antibióticos. Nesses camundongos, os níveis de diversidade microbiana caíram drasticamente depois que receberam ampicilina. Além disso, nenhum dos camundongos que receberam as bactérias modificadas desenvolveu infecções oportunistas por C. difficile , enquanto todos os camundongos que receberam apenas antibióticos apresentaram altos níveis de C. difficile no intestino.

“Esta é uma forte demonstração de que essa abordagem pode proteger a microbiota intestinal, preservando a eficácia do antibiótico, pois você não está modificando os níveis na corrente sanguínea”, diz Cubillos-Ruiz.

Os pesquisadores também descobriram que eliminar a pressão evolutiva do tratamento com antibióticos tornava muito menos provável que os micróbios do intestino desenvolvessem resistência aos antibióticos após o tratamento. Em contraste, eles encontraram muitos genes para resistência a antibióticos nos micróbios que sobreviveram em camundongos que receberam antibióticos, mas não nas bactérias manipuladas. Esses genes podem ser passados ​​para bactérias nocivas, agravando o problema da resistência aos antibióticos.

Os pesquisadores agora planejam começar a desenvolver uma versão do tratamento que possa ser testada em pessoas com alto risco de desenvolver doenças agudas decorrentes da disbiose intestinal induzida por antibióticos, e eles esperam que, eventualmente, possa ser usado para proteger qualquer pessoa que precise tomar antibióticos para infecções fora do intestino.

“Se a ação do antibiótico não for necessária no intestino, você precisa proteger a microbiota. Isso é semelhante a quando você tira um raio-X, usa um avental de chumbo para proteger o resto do corpo da radiação ionizante”, diz Cubillos-Ruiz. “Nenhuma intervenção anterior poderia oferecer esse nível de proteção. Com nossa nova tecnologia, podemos tornar os antibióticos mais seguros, preservando micróbios intestinais benéficos e reduzindo as chances de surgimento de novas variantes resistentes a antibióticos”.

A pesquisa foi financiada pela Defense Threat Reduction Agency, o Paul G. Allen Frontiers Group, o Wyss Institute e uma bolsa de pesquisa de pós-graduação da National Science Foundation.

 

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