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 nos 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 circulando 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 projetadas para reduzir os efeitos adversos dos antibióticos”, diz James Collins, professor de Termeer de Engenharia Médica e Ciência no Instituto de Engenharia e Ciência Médica (IMES) do MIT. e Departamento de Engenharia Biológica, e o autor sênior do novo estudo.
Andres Cubillos-Ruiz PhD ’15, cientista pesquisador do IMES e do Wyss Institute for Biologicamente Inspired Engineering da Harvard University, é o principal autor do artigo, publicado hoje na Natureza Engenharia Biomédica. Outros autores incluem os alunos 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 no 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 dieta 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 de C. difícil, um micróbio que geralmente vive no intestino, mas geralmente não causa danos. Quando os antibióticos matam as cepas que competem com C. difícilno entanto, essas bactérias podem assumir e causar diarreia e colite. C. difícil infecta cerca de 500.000 pessoas todos os anos nos Estados Unidos e causa cerca de 15.000 mortes.
Às vezes, os médicos 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 ser comparados à diversidade que os micróbios nativos possuem”, diz Cubillos-Ruiz. “Eles não podem realizar as mesmas funções que os micróbios nativos que você cultivou 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 usado na produção de queijo, para fornecer uma enzima que decompõe os antibióticos beta-lactâmicos. Essas drogas representam cerca de 60 por cento dos antibióticos prescritos nos Estados Unidos.
Quando essas bactérias são administradas por via oral, elas povoam transitoriamente os intestinos, onde secretam a enzima chamada 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 ainda podem circular no corpo em níveis elevados. Essa abordagem também pode ser usada junto com antibióticos que são injetados, que também acabam atingindo o intestino. Depois que seu trabalho é concluído, as bactérias modificadas são excretadas pelo trato digestivo.
O uso de bactérias modificadas 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 rapidamente entre diferentes bactérias. Para resolver isso, os pesquisadores usaram uma abordagem de biologia sintética para recodificar a forma como a bactéria sintetiza a enzima. Eles quebraram o gene da beta-lactamase em duas partes, cada uma codificando 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 remontam, restaurando a função enzimática. Uma vez que 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 evita que as células modificadas ganhem vantagem sobre os micróbios intestinais nativos.
“Nossa estratégia de biocontenção permite a entrega de enzimas que degradam 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 da bactéria modificada para cada injeção de ampicilina. As bactérias modificadas 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 em camundongos que não receberam as bactérias modificadas.
No intestino, os camundongos que receberam bactérias modificadas mantiveram um nível muito mais alto de diversidade microbiana em comparação com os 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 C. difícil infecções, enquanto todos os camundongos que receberam apenas antibióticos apresentaram altos níveis de C. difícil no intestino.
“Esta é uma forte demonstração de que esta abordagem pode proteger a microbiota intestinal, preservando a eficácia do antibiótico, já que você não está modificando os níveis na corrente sanguínea”, diz Cubillos-Ruiz.
Os pesquisadores também descobriram que a eliminação da 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 as bactérias modificadas. Esses genes podem ser passados para bactérias nocivas, piorando o problema da resistência a antibióticos.
Os pesquisadores agora planejam começar a desenvolver uma versão do tratamento que pode ser testada em pessoas com alto risco de desenvolver doenças agudas decorrentes da disbiose intestinal induzida por antibióticos e esperam que, eventualmente, possa ser usado para proteger qualquer pessoa que precise tomar antibióticos para infecções fora do intestino.
“Se a ação antibiótica não é necessária no intestino, então você precisa proteger a microbiota. Isso é semelhante a quando você faz um raio-X, você usa um avental de chumbo para proteger o resto do corpo da radiação ionizante”, disse. Cubillos-Ruiz diz. “Nenhuma intervenção anterior poderia oferecer esse nível de proteção. Com nossa nova tecnologia, podemos tornar os antibióticos mais seguros, preservando os micróbios intestinais benéficos e reduzindo as chances de surgimento de novas variantes resistentes aos 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.