Abordaje molecular de las vacunas bacterianas

Autores: María de la Luz Ortega-Juárez¹ y María Maricela Carrasco-Yépez²

¹Laboratorio de Inmunobiología Molecular y Celular, Sección de Estudios de Posgrado e Investigación. Escuela Superior de Medicina, Instituto Politécnico Nacional, CDMX

²Laboratorio de Microbiología Ambiental, Grupo CyMA, UIICSE, FES Iztacala, UNAM, Estado de México, México

Resumen

En la actualidad se sabe que la resistencia a los antimicrobianos es una amenaza real y global. Por lo tanto, existe una imperiosa necesidad de sustituir el uso de los antibióticos con tratamientos alternativos que garanticen seguridad. En este sentido, los avances en diversas tecnologías, tales como la tecnología del DNA recombinante, la nanotecnología y la proteómica basada en técnicas como la espectrometría de masas, han permitido el desarrollo de conceptos y enfoques basados en la identificación de secuencias peptídicas o epitópicas que, junto con el uso de adyuvantes, aumentan la estimulación del sistema inmunitario, proporcionando una mayor eficacia contra las infecciones causadas por microorganismos resistentes a múltiples fármacos. De esta manera, las vacunas son una alternativa altamente reconocida dando una efectividad en la protección contra patógenos resistentes y, por lo tanto, pueden contribuir significativamente a mitigar la resistencia a los antimicrobianos.

Palabras clave: vacunas, resistencia antimicrobiana, respuesta inmune

Abstract

Currently, it is known that antimicrobial resistance is a real and global threat. Therefore, there is an urgent need to replace the use of antibiotics with alternative treatments that ensure safety. In this regard, advances in various technologies such as recombinant DNA technology, nanotechnology, and proteomics based on techniques such as mass spectrometry have allowed the development of concepts and approaches based on the identification of peptide or epitope sequences that, along with the use of adjuvants, increase stimulation of the immune system, providing greater efficacy against infections caused by multidrug-resistant microorganisms. Thus, vaccines are a highly recognized alternative that offer effectiveness in protecting against resistant pathogens and can significantly contribute to mitigating antimicrobial resistance.

Keywords: vaccines, antimicrobial resistance, immune response

Urgencia en el desarrollo de vacunas bacterianas

Con la llegada de los antibióticos en la primera mitad del siglo XX (1928), diversas infecciones bacterianas perdieron su dominio aniquilante sobre la humanidad. Los ejemplos más conocidos y devastadores fueron los brotes de peste, cólera y muchas otras infecciones bacterianas que llevaron a la muerte a cientos de millones de personas en el mundo. Sin embargo, con los avances de los estándares sanitarios, condiciones de vida elevada y, sobre todo, la disponibilidad de antibióticos, se dedujeron los brotes de consecuencias letales. Posteriormente, con el uso indiscriminado o excesivo de los antibióticos, paradójicamente se aceleró la resistencia a los antimicrobianos (RAM). Desde entonces, numerosos antibacterianos, antifúngicos, antivirales y antiparasitarios se han desarrollado y utilizado para combatir enfermedades infecciosas.¹ Esto resultó en enfermedades relacionadas con la RAM, las cuales culminan en estadías hospitalarias más largas, de mayores gastos médicos y tasas de mortalidad más altas, principalmente en poblaciones vulnerables como son los niños y adultos mayores.

Este acelerado fenómeno de consumo y resistencia de los antimicrobianos, principalmente los llamados antibióticos, pronostica que las muertes anuales se disparen de 700,000 (dato del 2019) a 10 millones de muertes en todo el mundo, incluso superando las muertes causadas por el cáncer.²

Por lo tanto, la Organización Mundial de la Salud (OMS) y los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC) de Estados Unidos han identificado bacterias patógenas para las cuales la situación de la RAM es particularmente grave, incluyendo varios patógenos intracelulares como Salmonella, Shigella spp. y Mycobacterium tuberculosis (Mtb).^3,4 Derivado de este fenómeno, se han propuesto alternativas y herramientas muy eficaces para mitigar la resistencia antimicrobiana, que incluyen una estricta administración de antibióticos, rápido desarrollo de nuevos fármacos antibacterianos, así como el desarrollo de vacunas eficaces y seguras.⁵

En general, el diseño de los esquemas de vacunación a nivel mundial ha contribuido significativamente al aumento en la esperanza de vida, que ha pasado de 35 años en promedio en 1930 a 75 años en promedio en 2020. En México, de acuerdo con datos de la Secretaría de Salud del 2022,⁶ se cuenta con un esquema de vacunación, el cual incluye la protección contra enfermedades causadas por virus y bacterias (tabla 1). En este sentido, podemos resaltar que, si bien algunas enfermedades causadas por bacterias son consideradas dentro del esquema de vacunación (letras en azul), aún existen vacíos importantes en la protección contra bacterias que tienen una relevancia médica importante. Algunos ejemplos de estos vacíos son las vacunas inexistentes para infecciones ocasionadas por bacterias tanto de géneros intracelulares como extracelulares: Listeria spp.,Salmonella spp., Helicobacter pylori, Escherichia coli, Sthaphylococcus pneumoniae, Neiseria menigitidis y Klebsiella pneumoniae.⁷ Actualmente, para el tratamiento de las infecciones causadas por estas bacterias, solo se proporciona atención médica cuando la patología ya está desarrollada. Por lo tanto, es necesario desarrollar vacunas eficaces contra estas bacterias para mejorar la prevención y el control de enfermedades infecciosas.

Edad	Vacuna	Agente causal de la enfermedad	Número de dosis
Recién nacidos	BCG (Bacilo de Calmette-Guérin) o tuberculosis	Mycobacterium tuberculosis	Una dosis
Anti-hepatitis B	Virus de la hepatitis B	1a dosis
Menores de un año	Hexavalente acelular: difteria, tos ferina, tétanos, poliomielitis e H. influenzae b (DPaT+VPI+Hib)	Difteria: Corynebacterium diphteria Tos ferina: Bordetella pertussis Tétanos: Clostridium tetani Poliomielitis:virus de la poliomielitis Hib: Haemophilus influenzae tipo b	1a, 2a, 3a dosis
Anti-neumocócica conjugada	Streptococus pneumoniae	1a, 2a dosis
Anti-rotavirus	Rotavirus	1a, 2a dosis (RV1)
Anti-influenza	Virus de la influenza	1a, 2a dosis (esquema inicial)
Un año	Anti-neumocócica conjugada	Streptococus pneumoniae	3a dosis
Triple viral (SRP)	Virus del sarampión Virus de la rubeola Virus de la parotiditis	1a dosis
18 meses	Triple viral (SRP)	Virus del sarampión Virus de la rubeola Virus de la parotiditis	2a dosis
Hexavalente acelular		4a dosis
Cuatro años	Triple bacteriana: difteria, tos ferina y tétanos (DPT)	Difteria: Corynebacterium diphteria Tos ferina: Bordetella pertussis Tétanos: Clostridium tetani	Dosis de refuerzo
Seis años	Triple viral: sarampión, rubéola y parotiditis (SRP)	Virus del sarampión Virus de la rubeola Virus de la parotiditis	2a dosis

Tabla 1. Esquema nacional de vacunación.

Respuesta del sistema inmunológico ante bacterias patógenas

La defensa contra bacterias extra e intracelulares requiere diferentes mecanismos de la respuesta inmune. El sistema inmunológico es el encargado de brindar la primera respuesta ante el patógeno. Pequeños fragmentos proteicos de las bacterias, también conocidos como antígenos peptídicos presentes en las células bacterianas tanto intracelulares como extracelulares, son captados por células como macrófagos, polimorfonucleares, células dendríticas, las cuales son consideradas células presentadoras de antígeno (antigen presenting cells, APC). Estas células APC internalizan, procesan y presentan al antígeno a través del complejo principal de histocompatibilidad (major histocompatibility complex, MHC) del cual MHC-I activa linfocitos T CD8⁺ formando un microambiente con la secreción de interleucinas que propiciarán principalmente una respuesta Th1 (IL-2, TNFα, INFγ) ante células infectadas por patógenos intracelulares.

Por otro lado, cuando la APC presenta a través del MHC-II, es decir, cuando se presentan agentes extracelulares, es capaz de activar, pero ahora a los linfocitos T CD4⁺, los cuales a su vez secretarán principalmente interleucinas tanto para la respuesta inmunológica humoral o Th2 (IL-4, IL-5, TGF-β e IL-13) como para la respuesta reguladora o Th17 (IL17 e IL22). Posteriormente, se desencadena también una respuesta mediada por los linfocitos B (B2), los cuales se diferenciarán a células plasmáticas secretoras de anticuerpos tales como IgM, IgG, IgA, IgE. Estos anticuerpos ayudarán a evitar la infección al interferir con la unión del microorganismo patógeno a las células del huésped.^7-9 La comprensión de las diferentes características de la respuesta del sistema inmunológico ante una diversidad de patógenos ha facilitado el diseño de blancos moleculares para el desarrollo de vacunas mejoradas.

Camino y progreso en el desarrollo de las vacunas contra bacterias

El desarrollo de vacunas ha recorrido un largo camino desde que Pasteur postuló su enfoque clásico de vacunología: aislar, inactivar e inyectar agentes causantes de enfermedades infecciosas para proteger a los pacientes. La creación y uso de vacunas contra enfermedades infecciosas es una estrategia significativa que ofrece diferentes beneficios. De hecho, desde hace tiempo que se reconoce el potencial de la vacunación como estrategia para combatir la RAM, aunque solo recientemente ha recibido una atención considerable.¹⁰

Diferentes vacunas antibacterianas han sido utilizadas con éxito en el pasado y se aprovechan de forma rutinaria en la actualidad, proporcionando un alto grado de inmunidad y seguridad. Entre ellas se encuentran las vacunas contra el tétanos, la difteria y la tos ferina, contra Haemophilus influenzae tipo B (Hib), neumococo y meningococo.^9,11 Además, existen vacunas contra la fiebre tifoidea, el ántrax y el cólera que se administran en áreas endémicas y para quienes viajan a ellas. Por el contrario, para la tuberculosis (TB), la cual es un problema de salud mundial importante, la única vacuna disponible y de bajo costo, la vacuna con bacilo de Calmette-Guérin (BCG), no ofrece una protección eficiente y confiable contra todas las formas de la enfermedad.¹²

La mayoría de las vacunas mencionadas anteriormente están dirigidas a las bacterias extracelulares que se replican fuera de las células huésped, mientras que solo las vacunas contra la tuberculosis y la fiebre tifoidea se dirigen a los patógenos intracelulares. Particularmente, las bacterias intracelulares a menudo presentan un desafío clínico particular que hace que el desarrollo de vacunas sea aún más crucial, ya que éstas por lo regular se encuentran protegidas o escondidas de lo que es la llamada respuesta inmune humoral y de algunos mecanismos de la propia respuesta inmunológica celular, así como de diversos mecanismos antimicrobianos que se generan dentro de las mismas células afectadas.¹¹ Es conocido que muchos patógenos intracelulares también son capaces de persistir en las células huésped al entrar en un estado latente, como Mtb, Salmonella, Bartonella, Escherichia coli uropatógenao Brucella.⁹

Actualmente se han logrado avances significativos en nuevas tecnologías y enfoques experimentales de vacunación que pueden ser útiles para la inmunización contra infecciones causadas por bacterias intracelulares. Estos incluyen bacterias recombinantes vivas, el uso de vesículas de membrana bacteriana externa (OMV), fantasmas bacterianos (BG), inmunización con nucleótidos (ADN, ARNm, vectores virales y bacterianos) y nanopartículas (NP) conjugadas con antígenos o nucleótidos.¹³ La figura 1 resume los métodos aplicados y experimentales de vacunación contra infecciones bacterianas que han sido desarrollados.

Las proteínas recombinantes (elaboradas a través de la tecnología del ADN recombinante expresadas principalmente en Escherichia coli) emergieron en la década de 1980. En este tipo de vacunas, se evalúa la inmunogenicidad de los antígenos o proteínas recombinantes de interés en modelos animales antes de llevarlos a ensayos clínicos.

Figura 1. Evolución de la tecnología de las vacunas (tomado de Rossini 2020). ExPEC, Escherichia coli patógena extraintestinal; GAS, Streptococcus del grupo A; GBS, Streptococcus del grupo B; GMMA, módulos generalizados para antígenos de membrana.

Atenuada: difteria, tétanos, tos ferina, rabia, influenza viruela

ADN recombinante: hepatitis B, tos ferina acelular, borreliosis, papilomavirus humano

Glicoconjugación: meningogocos, neumonía, Haemophilus influenzae tipo B

Adyuvantes: virus de hepatitis B, papilomavirus humanp

Vacunología inversa: meningococo B, GBS, GAS, ExPEC, C. difficile

NUEVAS TECNOLOGÍAS

Bioconjugados

Vacunología inversa 2.0

Vacunología estructural

Nanopartículas

GMMA

Vacunas de RNA

mAbs terapéuticos

Reducción de RAM

1796-1960

Década de 1980

Década de 1990

Década de 2000

Década de 2010

Por otro lado, la vacunología inversa, encabezada por Rino Rappuoli, empieza a ser novedosa para la década de 2000. Esta estrategia utiliza genomas completos de patógenos para inferir secuencias de proteínas, seguidas de predicciones in silico para identificar proteínas de superficie secretadas y expuestas por los patógenos, con el fin de utilizarlas como vacunas candidatas.¹⁴ Este tipo de vacunología inversa fue gradualmente implementada en la última década aprovechando plataformas contemporáneas como la secuenciación, el diseño de antígenos por técnicas bioinformáticas, así como la proteómica basada en espectrometría de masas.¹⁵

Es interesante mencionar que se siguen explorando enfoques novedosos para el desarrollo de vacunas contra patógenos resistentes a los antimicrobianos (tabla 2). Por ejemplo, las vacunas basadas en vesículas de membrana (OMV) se encuentran en etapas preclínicas. Por otro lado, se puede observar que las vacunas elaboradas a base de conjugados sintéticos, así como los bioconjugados, empiezan a reemplazar a las vacunas consideradas como las más tradicionales en términos de desarrollo clínico. Para especies de Shigella o Escherichia coli, estas vacunas ya se encuentran en fase II de desarrollo clínico. Aunado a los antígenos considerados para el desarrollo de la vacuna, también se contemplan a los nuevos adyuvantes, los cuales son sustancias que pueden aumentar la eficacia de la vacuna, en especial cuando la vacuna está elaborada a base de proteínas.⁵

Finalmente, se reconoce que las tecnologías más antiguas, como las vacunas vivas atenuadas e inactivadas, siguen siendo una excelente alternativa debido a su sencillez y bajo costo de producción.

A continuación, se ilustra el estado del desarrollo de vacunas en las etapas preclínica y clínica para una lista seleccionada de patógenos bacterianos, entre los que la OMS y los CDC destacan como críticos para la RAM. Además, se puede observar que las vacunas tienen diferente origen molecular en cuanto a su desarrollo (tabla 2).

	Preclínico	Fase I	Fase II	Fase III
Vacunología proteica	Salmonella no tifoidea invasivaEspecies de ShigellaNeisseria gonorrhoeae	Escherichia coli patógena extraintestinal	Pseudomonas aeruginosaStreptococcus del grupo AStaphylococcus aureusMycobacterium tuberculosis	Clostridium difficile
Glicoconjugado	Klebsiella pneumoniaeSalmonella no tifoidea invasivaStreptococcus del grupo A	Ninguno	Ninguno	Especies de Salmonella
Conjugado sintético	Klebsiella pneumoniae	Especies de Shigella	Ninguno	Ninguno
Bioconjugado	Klebsiella pneumoniaeStaphylococcus aureus	Ninguno	Escherichia coli patógena extraintestinalEspecies de Shigella	Ninguno
Otras vesículas de membrana	Neisseria gonorrhoeaeKlebsiella pneumoniaeMycobacterium tuberculosisEscherichia coli patógena extraintestinalSalmonella no tifoidea invasiva	Ninguno	Especies de Shigella	Ninguno
Vacunas atenuadas	Clostridium difficileSalmonella no tifoidea invasiva	Ninguno	Especies de SalmonellaEspecies de Shigella	Mycobacterum tuberculosis

Tabla 2. Desarrollo de vacunas para bacterias resistentes a los antimicrobianos (modificado de Micoli et al., 2021)

Conclusión

La resistencia antimicrobiana es una amenaza urgente para la salud mundial debido a la creciente incidencia de infecciones causada por diversos patógenos que han presentado un perfil de resistencia complejo contra los fármacos. De esta manera, el diseño de vacunas parece ser una solución prometedora. El uso profiláctico de vacunas contra bacterias previene infecciones, reduciendo así la necesidad de prescripción de antibióticos y minimizando la presión selectiva de fármacos. Además, las altas tasas de vacunación crean una inmunidad colectiva, protegiendo a personas susceptibles que no pueden vacunarse de manera efectiva, como las personas de edad avanzada, pacientes inmunodeprimidos o bien personas con alguna enfermedad crónica.

Para maximizar el impacto de las vacunas en la reducción de la emergencia causada por la RAM, sería necesario que la mayoría de la población estuviera vacunada, ya que ciertos géneros bacterianos pueden ser endémicos en comunidades determinadas. Sin embargo, desafortunadamente para la mayoría de las principales enfermedades infecciosas resistentes a los antimicrobianos, las vacunas aún no están disponibles. Como se mencionó con anterioridad, diversas vacunas candidatas se encuentran en diferentes fases de desarrollo donde la mayoría todavía se encuentran en pruebas preclínicas y solo unas pocos están en desarrollo clínico. A diferencia de algunos años, hoy se cuenta con una mejor comprensión de cómo es que el sistema inmunológico trabaja en la protección contra enfermedades causadas por diversos patógenos. Gracias a esta información y al conocimiento de los mecanismos de patogenicidad del patógeno, la investigación preclínica ha avanzado mucho en la selección de vacunas candidatas para ensayos clínicos en humanos. El proceso de desarrollo de una nueva vacuna suele tardar entre 10 y 20 años. Para abordar la crisis de la RAM, tanto la industria farmacéutica como las autoridades reguladoras deberían impulsar el desarrollo de nuevas tecnologías y plataformas para acelerar los estudios clínicos y así transformar el proceso de creación de vacunas.

El rápido desarrollo de vacunas candidatas contra el síndrome respiratorio agudo severo coronavirus 2 (SARS-CoV-2) puede proporcionar una guía importante para acelerar el proceso de desarrollo de las vacunas contra los patógenos resistentes a los antimicrobianos. No cabe duda de que aún con tecnologías de vanguardia, siempre se está consciente de que existen diferentes desafíos en el avance hacia las vacunas de la próxima generación.

Referencias

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