Streptococcus pyogenes

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Clasificación

Reino: BacteriaPhylum: Firmicutes Clase: Bacilos Orden: Lactobacillales Familia: StreptococcaceaeGénero: StreptococcusEspecie: Pyogenes

Descripción e importancia

El Streptococcus pyogenes es una bacteria grampositiva que suele crecer en parejas o cadenas. Se ha clasificado como un estreptococo beta-hemolítico porque cuando se cultiva en una placa de agar sangre todos los glóbulos rojos son rotos por la bacteria (1). Además, se ha clasificado mediante la serotipificación de Lancefield como grupo A, porque presenta el antígeno A en su pared celular. Por lo tanto, esta bacteria se denomina comúnmente estreptococo beta-hemolítico del grupo A, o GAS. (2) Una imagen de esto muestra claramente cómo crece el organismo.

Micrografía de electrones de Streptococcus pyogenes por Maria Fazio y Vincent A. Fischetti, Ph.D. con permiso. The Laboratory of Bacterial Pathogenesis and Immunology, Rockefeller University.

Micrografía electrónica de Streptococcus pyogenes por Maria Fazio y Vincent A. Fischetti, Ph.D. con permiso. The Laboratory of Bacterial Pathogenesis and Immunology, Rockefeller University.

El Streptococcus pyogenes, también conocido como la bacteria carnívora, es la bacteria más patógena de todo el género (2). El nombre pyogenes proviene de la palabra pyogenic, que es una clasificación para los estreptococos que se asocian a la formación de pus. Los efectos de este microbio van desde enfermedades leves como la faringitis estreptocócica y el impétigo hasta enfermedades más graves como la escarlatina, la glomerulonefritis y la fascitis necrotizante (3). Sin embargo, si la faringitis estreptocócica no se trata, dará lugar a la fiebre reumática, que es bastante rara ahora en Estados Unidos pero que era un problema más grave antes del siglo XX.

S. pyogenes suele iniciar la infección en la superficie de la piel o en la garganta. A partir de ahí, la bacteria comienza a extenderse a zonas más profundas de la piel, lo que puede dar lugar a enfermedades potencialmente mortales (4). Debido a su versatilidad en el huésped humano, los investigadores han luchado por desarrollar una vacuna que detenga la infección bacteriana. Por ello, se está investigando mucho para tratar de comprender los distintos componentes celulares de este organismo, así como para secuenciar su genoma. Cuantas más características se descubran y analicen, mejor comprensión tendremos para luchar contra esta enfermedad. Se ha avanzado mucho, porque ya se ha secuenciado el genoma de una cepa y se han sacado muchas conclusiones del estudio.

Estructura del genoma

Se ha secuenciado el genoma de una cepa M1 de Streptococcus pyogenes y se ha descubierto que contiene 1.852.442 pares de bases y unos 1.752 genes predichos que codifican proteínas. (6) Asimismo, se han identificado más de 40 genes putativos asociados a la virulencia, lo que podría explicar por qué Streptococcus pyogenes se considera responsable de una mayor variedad de enfermedades humanas que cualquier otra especie bacteriana. (6) Se descubrió que el GAS produce un gran número de proteínas extracelulares que aumentan la virulencia del organismo al desencadenar una grave respuesta inmunológica inespecífica en el huésped humano (6).

La secuencia del genoma se determinó utilizando el enfoque de escopeta de genoma completo. Se utilizó la cepa SF370, que se aisló originalmente de un paciente con una infección en una herida. (6) El genoma es un cromosoma circular con un contenido medio de G+C del 38,5%, y el 83% de los genes se transcribieron en el sentido de las agujas del reloj y el 76% en sentido contrario. (6) Sin embargo, aún no se ha encontrado el sitio de terminación de la replicación (ter), pero parece que el sitio no está a 180 grados de oriC. (6)

Estructura celular y metabolismo

Una propiedad única de Streptococcus pyogenes es que tiene una proteína llamada proteína F, que es una proteína de unión a la fibronectina que le permite adherirse a las células epiteliales respiratorias (7). Esta proteína es un importante factor de virulencia porque, al unirse a las células epiteliales, el organismo es capaz de adherirse firmemente a las células del huésped y no salir. Otra característica de Streptococcus pyogenes es la proteína M, que le permite resistir la fagocitosis (8). La proteína M tiene un diseño de espiral fibrilar, que «ofrece al organismo varias ventajas distintas, que van desde la variación antigénica hasta múltiples dominios funcionales» (8)

Además, el Streptococcus pyogenes está cubierto por una cápsula externa de ácido hialurónico (9). Esta cápsula es necesaria para que el organismo sea resistente a la fagocitosis (5), lo que es vital para que sobreviva en sus huéspedes. Por último, la «cápsula puede ser un importante factor de adherencia en la faringe, ya que se une a CD44 en las células epiteliales.» (10)

En otro estudio, se examinó la regulación de aniones como el Pi (fosfato inorgánico) en muchos microorganismos diferentes. Se encontró que en Streptococcus pyogenes, «32Pi, la captación se catalizó más rápidamente en las células hambrientas y se inhibió por la adición de fuentes de energía exógenas glicolíticas y no glicolíticas como la glucosa y la arginina, respectivamente». (11) Este hallazgo fue muy interesante porque el mecanismo de regulación en S. pyogenes es en realidad el contrario en muchas otras bacterias (11). La investigación informa de dos métodos principales de regulación, el primero es el agotamiento del sustrato y el otro es el ATP celular. Este estudio es significativo porque el fosfato es muy importante para regular el control de muchas enzimas metabólicas. Por ejemplo, el sistema de la fosfotransferasa utiliza un fosfato para transferir la glucosa a la bacteria convirtiéndola en glucosa-6-fosfato.

Ecología

Todos los organismos interactúan de forma única en diferentes entornos o con otros organismos. En un estudio de investigación, se descubrió que dentro del mismo género de estreptococos, algunas especies podían inhibir el crecimiento de otras especies. (12) Se identificó que el organismo Streptococcus salivarius causaba una inhibición significativa del crecimiento de Streptococcus pyogenes a través de un lantibiótico (péptido antibiótico) de 22 aminoácidos designado como salivaricina A. (12)

Otro estudio que se ha realizado fue entre las especies Streptococcus pneumoniae y Streptococcus pyogenes. El estudio consistió en explorar la relación de la resistencia a la eritromicina entre ambas especies en diferentes hospitales de España. (13) Esto se debe a que se ha incrementado el uso de antibióticos en zonas donde hay una mayor resistencia de S. pneumoniae. (13) Así pues, los investigadores concluyeron que, dado que la relación entre el consumo y la resistencia está relacionada con la ecología, y tanto S. pneumoniae como S. pyogenes son patógenos respiratorios, «si el aumento del consumo de agentes antimicrobianos incrementa los patrones de resistencia tanto para S. pyogenes como para S. pneumoniae, la prevalencia de la resistencia en ambas especies puede estar relacionada.» (13) A partir de los datos, se encontró que las dos especies tienen una correlación muy alta para la resistencia. Hay que realizar más estudios para sacar conclusiones, pero éste ha sido un paso en la dirección correcta para determinar cómo interactúa S. pyogenes con otros organismos.

Patología

Streptococcus pyogenes es un patógeno inusualmente exitoso debido a muchas propiedades diferentes. En primer lugar, el organismo es capaz de adherirse a las células de su huésped con fuertes mecanismos de adhesión, lo que es importante porque el organismo sería fácilmente eliminado por el moco o el líquido salival. (5) Cuantas más adherencias haya, más fuerte será la adhesión.

El Streptococcus pyogenes no sólo se adhiere a sus células huésped, sino que también las invade (5). Los laboratorios han demostrado que «los estreptococos del grupo A tienen el potencial de invadir las células epiteliales humanas con una frecuencia igual o superior a la de los patógenos bacterianos intracelulares clásicos.» (5) Hay dos proteínas necesarias para la invasión, que son la proteína M y la SfbI, que es una proteína de unión a la fibronectina.

El Streptococcus pyogenes afecta a sus huéspedes de muchas maneras diferentes y causa una gran variedad de enfermedades. El Centro de Control y Prevención de Enfermedades (CDC) informa de algunos síntomas de las enfermedades causadas por Streptococcus pyogenes. Van de leves a graves, como fiebre, dolor intenso, mareos y erupción roja en la zona de la herida. Los síntomas al principio pueden no parecer graves, pero en algunos casos las enfermedades han causado la muerte a ciertos individuos.

Aplicación a la biotecnología

Hasta ahora, muchas de las enzimas liberadas por Streptococcus pyogenes que se han estudiado suelen estar implicadas en la forma en que el organismo interactúa con el sistema inmunitario del huésped. Por ejemplo, la cisteína proteasa SpeB es una enzima que escinde la inmunoglobulina IgG, lo que permite a S. pyogenes luchar contra el sistema inmunitario del huésped (14). Otra enzima inmunomoduladora muy estudiada es la peptidasa C5a, ScpA, que es una endopeptidasa de serina que «escinde el factor específico del complemento C5a, inhibiendo el reclutamiento de células fagocíticas al sitio infeccioso». (14) Dado que todas estas enzimas modulan el sistema inmunitario del huésped y se utilizan para ayudar al organismo a sobrevivir, lo más probable es que no sean muy útiles en el campo de la biotecnología.

Sin embargo, se han patentado dos proteínas específicas que se han encontrado para prevenir enfermedades causadas por el Streptococcus pyogenes. Las dos proteínas son «designadas Cpa1 y Cpa49 que se obtienen de la región de unión al colágeno en Streptococcus pyogenes. Se ha observado que las proteínas aisladas de la presente invención se unen al colágeno, por lo que pueden utilizarse en métodos de tratamiento o prevención de la infección estreptocócica mediante la inhibición de la capacidad de las bacterias para unirse al colágeno.» (15) Este es un ejemplo perfecto de cómo un compuesto extraído de un organismo puede utilizarse para luchar contra sí mismo y proteger a las víctimas de la invasión.

Investigación actual

Mucha de la investigación sobre el Streptococcus pyogenes se refiere a por qué es capaz de luchar tan bien contra el sistema inmunitario humano. Ha sido un campo muy caliente y los estudios han mostrado una progresión a lo largo de los años. Se ha descubierto mucho, pero todavía está lejos de la cantidad de conocimientos necesarios para luchar contra las infecciones.

En 2005, hubo un informe de investigación que mostró que los estreptococos del grupo A (GAS) realmente tienen pili. Este hallazgo es inusual porque normalmente sólo las bacterias Gram-Negativas tienen pili. Antes de esto, la superficie celular de las bacterias Gram-positivas rara vez se estudiaba y no se sabía mucho sobre ellas. (16) El hallazgo demostró que Streptococcus pyogenes mostraba la presencia de «estructuras largas, expuestas a la superficie, similares a los pilos, compuestas por miembros de una familia de proteínas de unión a la matriz extracelular.» (16) En las bacterias Gram negativas, los pili son importantes factores de virulencia porque se utilizan para adherirse a las células objetivo. Los resultados de este estudio mostraron que los pili en el GAS están compuestos por la misma familia de proteínas, lo que sugiere que también son factores de virulencia en las bacterias Gram-positivas. (16) Además, se descubrió que los pili tienen antígenos eficaces que protegen contra las infecciones letales. (16)

En 2006, un artículo informó de que otra razón del fracaso de los antibióticos contra Streptococcus pyogenes podría ser la formación de biopelículas. Para comprobarlo, se aislaron 289 cepas de Streptococcus pyogenes y se analizó su capacidad para formar biopelículas. (17) El experimento mostró que la mayoría de las cepas (90%) eran capaces de formar biopelículas. Los datos también «indicaron que las cepas que formaban biopelículas entraban en las células epiteliales con una eficacia significativamente menor que las cepas negativas a la formación de biopelículas.» (17) Esto sugiere que si una determinada cepa no pudiera entrar en las células epiteliales para escapar de los antibióticos, en su lugar formaría biopelículas como medio para sobrevivir en su huésped. (17) Las conclusiones de esta investigación son muy importantes porque demuestran que Streptococcus pyogenes tiene métodos alternativos para sobrevivir en su huésped. (17)

En febrero se publicó un artículo que abordaba uno de los temas más candentes relacionados con el Streptococcus pyogenes. Este tema es la región del genoma FCT, que significa antígeno de fibronectina-colágeno-T. Esta región es la que permite a Streptococcus pyogenes adherirse a las células epiteliales de su huésped, como se ha descrito anteriormente. El artículo describe muchas de las investigaciones que se han realizado sobre esta región y las conclusiones que se han sacado. Se ha determinado que la adhesión es la proteína F1 o F2, y también se ha encontrado una proteína de unión llamada Cpa. (18) El documento predice que «la Cpa o la proteína F1 ceba/facilita las infecciones de la piel o de la garganta, respectivamente, aunque la presencia de algunas cepas de la piel o de la garganta sin los genes cpa o prtF1 indicó la existencia de estrategias de infección alternativas.» (18) La investigación realizada se centró principalmente en la vinculación genética entre las diferentes cepas, y a partir de los resultados «decidir qué combinación de marcadores muestra la asociación más fuerte con el impacto clínico de los aislados de S. pyogenes.» (18) A medida que la investigación sigue avanzando, se entiende cada vez más cómo el Streptococcus pyogenes invade y afecta a los humanos. Es de esperar que pronto se encuentren soluciones para este organismo.

Clasificación tomada del NCBI, http://www.ebi.ac.uk/newt/display?search=160490

1. Hoja informativa del NIH «Group A Streptococcal Infections», marzo de 1999.

2. Todar, Kenneth. Todar’s online textbook of Bacteriology, Departamento de Bacteriología de la Universidad de Wisconsin-Madison, 2002

3. Prescott, Harley y Klein. Microbiología, sexta edición. McGraw Hill Higher Education, NY, 2005

4. Facklam, R. What happened to the streptococci: overview of taxonomic and nomenclature changes. Clinical Microbiology Reviews, v.15, 20025. Cunningham, M. W. Pathogenesis of group A streptococcal infections. Clinical Microbiology Reviews, v.13, Jul 20006. J.J. Ferretti et al, 2001. Complete Genome Sequence of an M1 Streptococcus pyogenes Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 98, 4658-4663

7. Hanski, E., P. A. Horwitz, y M. G. Caparon. 1992. Expression of protein F, the fibronectin-binding protein of Streptococcus pyogenes JRS4, in heterologous streptococcal and enterococcal strains promotes their adherence to respiratory epithelial cells. Infect. Immun. 60:5119-5125

8. Fischetti, V. A. 1989. Proteína M estreptocócica: diseño molecular y comportamiento biológico. Clin. Microbiol. Rev. 2:285-314

9. Kendall F E, Heidelberger M, Dawson M N. 1941. Un polisacárido serológicamente inactivo elaborado por cepas mucoides de estreptococos hemolíticos del grupo A. J Biol Chem.118:61-69

10. Schrager H M, Alberti S, Cywes C, Dougherty G J, Wessels M R. 1998. La cápsula de ácido hialurónico modula la adherencia mediada por la proteína M y actúa como ligando para la adhesión del estreptococo del grupo A al CD44 en los queratinocitos humanos. J Clin Investig. 101:1708-1716

11. Reizer J, Saier MH Jr. 1987. Mecanismo y regulación del transporte de fosfato en Streptococcus pyogenes. J Bacteriol. 169(1):297–302.

12. Upton, M., J. R. Tagg, P. Wescombe, y H. F. Jenkinson. 2001. Intra- and interspecies signaling between Streptococcus salivarius and Streptococcus pyogenes mediated by SalA and SalA1 lantibiotic peptides. J. Bacteriol. 183:3931-3938

13. Gómez-Lus, R., J. J. Granizo, L. Aguilar, E. Bouza, A. Gutiérrez y J. García-de-Lomas. 1999. ¿Existe una relación ecológica entre las tasas de resistencia a los antibióticos de las especies del género Streptococcus? Grupo Español de Vigilancia de Patógenos Respiratorios. J. Clin. Microbiol. 37:3384-3386

14. Collin, M., y Olsen, A. 2003 Extracellular Enzymes with Immunomodulating Activities: Variations on a Theme in Streptococcus pyogenes, Infecion and Immunity. 71, 2983-2992

15. Podbielski, Andreas. 2004. Collagen-binding proteins from streptococcus pyogenes. PatentStorm, US Patent 6777547

16. Mora, M., G. Bensi, S. Capo, F. Falugi, C. Zingaretti, A. G. Manetti, T. Maggi, A. R. Taddei, G. Grandi y J. L. Telford. 2005. Los estreptococos del grupo A producen estructuras tipo pilus que contienen antígenos protectores y antígenos Lancefield T. Proc. Acad. Sci. USA 102:15641-15646

17. Baldassarri et al. 2006, Therapeutic Failures of Antibiotics Used To Treat Macrolide-Susceptible Streptococcus pyogenes Infections May Be Due to Biofilm Formation, J Clin Microbiol. 44(8): 2721-2727

18. Podbielksi, Andreas. 2007. Flexible Architecture of Streptococcus pyogenes FCT Genome Region: Por fin la pista para entender las enfermedades cutáneas purulentas y la persistencia a largo plazo, J. Bacteriol. 189: 1181-1184

KMG

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