Clostridium botulinum

Clostridium botulinum es una bacteria grampositiva, móvil, formadora de esporas, con forma de bastoncillo y anaerobia con la capacidad de producir la neurotoxina botulínica.

La toxina botulínica puede causar botulismo, una enfermedad paralítica flácida grave en humanos y otros animales, y es la toxina más potente conocida por la humanidad, natural o sintética, con una dosis letal de 1,3 a 2,1 ng/kg en humanos.

C. botulinum es un grupo diverso de bacterias patógenas inicialmente agrupadas por su capacidad para producir toxina botulínica y ahora conocidas como cuatro grupos distintos, C. botulinum de los grupos I-IV, así como algunas cepas de Clostridium butyricum y Clostridium baratii, son las bacterias responsables de producir la toxina botulínica.

C. botulinum es responsable del botulismo transmitido por alimentos (ingestión de toxina preformada), botulismo infantil (infección intestinal con C. botulinum formador de toxina) y botulismo de heridas (infección de una herida con C. botulinum). C. botulinum produce endosporas resistentes al calor que se encuentran comúnmente en el suelo y pueden sobrevivir en condiciones adversas.

C. botulinum se asocia comúnmente con alimentos enlatados abultados; las latas abultadas y deformes pueden deberse a un aumento interno de la presión causado por el gas producido por las bacterias.

Microbiología

C. botulinum es una bacteria Gram-positiva, con forma de bastón y formadora de esporas. Es un anaerobio obligado, lo que significa que el oxígeno es venenoso para las células. Sin embargo, C. botulinum tolera trazas de oxígeno debido a la enzima superóxido dismutasa, que es una defensa antioxidante importante en casi todas las células expuestas al oxígeno. C. botulinum es capaz de producir la neurotoxina solo durante la esporulación, lo que solo puede ocurrir en un entorno anaeróbico. C. botulinum se divide en cuatro grupos fenotípicos distintos (I-IV) y también se clasifica en siete serotipos (A-G) según la antigenicidad de la toxina botulínica producida.

Grupos

Las diferencias fisiológicas y la secuenciación del genoma a nivel de ARNr 16S respaldan la subdivisión de la C. botulinum en los grupos I-IV.

Una de las diferencias fundamentales entre el grupo I y el grupo II es que C. botulinum el grupo I puede lisar proteínas nativas como clara de huevo coagulada, partículas de carne cocida, mientras que el grupo II no puede. Sin embargo, el grupo II puede fermentar varios carbohidratos como la sacarosa y la manosa, y ambos pueden degradar la proteína derivada, la gelatina. El botulismo humano es causado predominantemente por el grupo I o II C. botulínica. Los organismos del grupo III causan principalmente enfermedades en animales no humanos. Grupo IV C. botulinum no ha demostrado causar enfermedades en humanos o animales.

Toxina botulínica

Toxina botulínica: La toxina botulínica es una proteína con un peso molecular de 70.000 Da. La toxina es relativamente termoestable. Se inactiva a 80 °C durante 30 a 40 minutos y a 100 °C durante 10 minutos. La toxina es similar en estructura y función a la toxina del tétanos, excepto solo en el sitio de acción. ■ La toxina botulínica se diferencia de otras exotoxinas en que se produce sólo con la muerte y la autolisis de las bacterias, pero no cuando los bacilos están vivos. ■ La toxina botulínica es una proteína progenitora sintetizada intracelularmente en las bacterias. Consta de dos subunidades A y B. La subunidad A es la cadena ligera y es una neurotoxina. La subunidad B es una cadena pesada, que evita que la parte de la neurotoxina (cadena A) sea inactivada por la acidez del estómago. Más de tres subunidades B pueden estar presentes en la toxina. ■ La toxina botulínica es la toxina natural más potente conocida por la humanidad. La dosis letal para ratones es de 0,000 000 033 mg y para seres humanos es de 1 a 2 g. La toxina botulínica es letal a un nivel femtomolar de dosis de 10^12 g/kg, lo que hace que la toxina botulínica sea de 15 000 a 100 000 veces más potente que el gas serina. ■ La toxina también puede ser toxoide.

La producción de neurotoxinas es la característica unificadora de la especie. Se han identificado ocho tipos de toxinas a las que se les asigna una letra (A–H), varias de las cuales pueden causar enfermedades en humanos. Son resistentes a la degradación por enzimas que se encuentran en el tracto gastrointestinal. Esto permite que las toxinas ingeridas sean absorbidas desde los intestinos hacia el torrente sanguíneo. Sin embargo, todos los tipos de toxina botulínica se destruyen rápidamente al calentarlos a 100 °C durante 15 minutos (900 segundos). La toxina botulínica, una de las sustancias biológicas más venenosas que se conocen, es una neurotoxina producida por la bacteria Clostridium botulinum. C. botulinum elabora ocho exotoxinas distinguibles antigénicamente (A, B, C1, C2, D, E, F y G).

La mayoría de las cepas producen un tipo de neurotoxina, pero se han descrito cepas que producen múltiples toxinas. C. botulinum que producen los tipos de toxina B y F se han aislado de casos de botulismo humano en Nuevo México y California. El tipo de toxina se ha denominado Bf ya que la toxina de tipo B se encontró en exceso con respecto al tipo F. De manera similar, se han informado cepas que producen toxinas Ab y Af.

La evidencia indica que los genes de la neurotoxina han sido objeto de una transferencia horizontal de genes, posiblemente de una fuente viral (bacteriófago). Esta teoría está respaldada por la presencia de sitios de integración que flanquean la toxina en algunas cepas de C. botulínica. Sin embargo, estos sitios de integración están degradados (excepto los tipos C y D), lo que indica que C. botulinum adquirió los genes de la toxina bastante atrás en el pasado evolutivo. Sin embargo, todavía se producen más transferencias a través de los plásmidos y otros elementos móviles en los que se encuentran los genes.

Tipos de toxina botulínica

Solo los tipos de toxina botulínica A, B, E, F y H causan enfermedades en humanos. Los tipos A, B y E se asocian con enfermedades transmitidas por alimentos, mientras que el tipo E se asocia específicamente con productos pesqueros. El tipo C produce agilidad en el cuello de las aves y el tipo D causa botulismo en otros mamíferos. Ninguna enfermedad está asociada con el tipo G. El "estándar de oro" para determinar el tipo de toxina es un bioensayo en ratón, pero los genes para los tipos A, B, E y F ahora se pueden diferenciar fácilmente mediante PCR cuantitativa. Como aún no hay disponible una antitoxina para el tipo H, descubierta en 2013 y, con mucho, la más letal, los detalles se mantienen ocultos.

Algunas cepas de organismos identificados genéticamente como otras especies de Clostridium han causado botulismo humano: C. butyricum ha producido toxina tipo E y C. baratii había producido toxina tipo F. La habilidad de C. botulinum para transferir naturalmente genes de neurotoxinas a otros clostridios es preocupante, especialmente en la industria alimentaria, donde los sistemas de conservación están diseñados para destruir o inhibir solo C. botulinum pero no otras especies de Clostridium.

Aislamiento de laboratorio

En el laboratorio, C. botulinum generalmente se aísla en medio de crecimiento de triptosa sulfito cicloserina (TSC) en un ambiente anaeróbico con menos del 2% de oxígeno. Esto se puede lograr con varios kits comerciales que usan una reacción química para reemplazar O₂ con CO₂. C. botulinum es un microorganismo lipasa positivo que crece entre pH de 4,8 y 7,0 y no puede utilizar la lactosa como fuente primaria de carbono, características importantes para la identificación bioquímica.

Historia de la taxonomía

C. botulinum fue reconocido y aislado por primera vez en 1895 por Emile van Ermengem de jamón curado en casa implicado en un brote de botulismo. El aislado se llamó originalmente Bacillus botulinus, por la palabra latina para salchicha, botulus. (La "intoxicación con salchichas" fue un problema común en la Alemania de los siglos XVIII y XIX, y probablemente fue causada por el botulismo). Bengtson propuso que el organismo se colocara en el género Clostridium, ya que el género Bacillus estaba restringido a bastoncillos aerobios formadores de esporas.

Desde 1959, todas las especies que producen neurotoxinas botulínicas (tipos A–G) se han denominado C. botulínica. Existe evidencia fenotípica y genotípica sustancial para demostrar la heterogeneidad dentro de la especie. Esto ha llevado a la reclasificación de C. botulinum cepas tipo G como una nueva especie, C. argentino.

Grupo I C. botulinum las cepas que no producen toxina botulínica se conocen como C. esporógenos.

El genoma completo de C. botulinum ha sido secuenciado en el Wellcome Trust Sanger Institute en 2007.

Patología

Botulismo transmitido por alimentos

"Los signos y síntomas del botulismo transmitido por los alimentos generalmente comienzan entre 18 y 36 horas después de que la toxina ingresa al cuerpo, pero pueden variar desde unas pocas horas hasta varios días, según la cantidad de toxina ingerida."

• Doble visión
• Visión borrosa
• Oculares que dejan caer
• Náuseas, vómitos y calambres abdominales
• Slurred speech
• Dificultad para respirar
• Dificultad para tragar
• Boca seca
• Debilidad muscular
• Estreñimiento
• Reacciones de tendón profundo reducidas o ausentes, como en la rodilla

Botulismo por heridas

La mayoría de las personas que desarrollan botulismo por heridas se inyectan drogas varias veces al día, por lo que es difícil determinar cuánto tiempo tardan en desarrollarse los signos y síntomas después de que la toxina ingresa al cuerpo. Más comunes en las personas que se inyectan heroína de alquitrán negro, los signos y síntomas del botulismo por heridas incluyen:

• Dificultad para tragar o hablar
• Debilidad facial en ambos lados de la cara
• Visión borrosa o doble
• Oculares que dejan caer
• Dificultad para respirar
• Parálisis

Botulismo infantil

Si el botulismo infantil está relacionado con alimentos, como la miel, los problemas generalmente comienzan dentro de las 18 a 36 horas posteriores a la entrada de la toxina en el cuerpo del bebé. Los signos y síntomas incluyen:

• Estreñimiento (a menudo el primer signo)
• Movimientos floppy debido a debilidad muscular y problemas para controlar la cabeza
• Grito débil
• Irritabilidad
• Drooling
• Oculares que dejan caer
• Cansancio
• Dificultad para chupar o alimentar
• Parálisis

Efectos beneficiosos de la toxina botulínica

La toxina botulínica purificada es diluida por un médico para el tratamiento:

• Tinta pélvica congénita
• disfasia Spasmodic (la incapacidad de los músculos de la laringe)
• Achalasia (streñimiento esofágico)
• Strabismus (ojos cruzados)
• Parálisis de los músculos faciales
• Fallo del cuello uterino
• Blinking frequently
• Anti-cancer drug delivery

Toxemia intestinal del adulto

Una forma muy rara de botulismo que ocurre por la misma ruta que el botulismo infantil, pero se presenta entre adultos. Ocurre raramente y esporádicamente. Los signos y síntomas incluyen:

• Dolor abdominal
• Visión borrosa
• Diarrea
• Dysarthria
• Imbalance
• Debilidad en brazos y zona de mano

C. botulinum en diferentes ubicaciones geográficas

Una serie de encuestas cuantitativas para C. Las esporas de botulinum en el medio ambiente han sugerido una prevalencia de tipos específicos de toxinas en determinadas áreas geográficas, que aún no se han explicado.

América del Norte

Tipo A C. botulinum predomina en las muestras de suelo de las regiones occidentales, mientras que el tipo B es el tipo principal que se encuentra en las áreas orientales. Los organismos de tipo B eran del tipo proteolítico I. Se estudiaron sedimentos de la región de los Grandes Lagos después de brotes de botulismo entre peces criados comercialmente, y solo se detectaron esporas de tipo E. En una encuesta, las cepas de tipo A se aislaron de suelos que eran neutros a alcalinos (pH promedio de 7,5), mientras que las cepas de tipo B se aislaron de suelos ligeramente ácidos (pH promedio de 6,23).

Europa

C. botulinum tipo E prevalece en los sedimentos acuáticos de Noruega y Suecia, Dinamarca, los Países Bajos, la costa báltica de Polonia y Rusia. El tipo E C. botulinum fue sugerido como un verdadero organismo acuático, lo cual fue indicado por la correlación entre el nivel de contaminación tipo E y la inundación de la tierra con agua de mar. A medida que la tierra se secó, el nivel del tipo E disminuyó y el tipo B se volvió dominante.

En suelos y sedimentos del Reino Unido, C. Predomina la botulinum tipo B. En general, la incidencia suele ser menor en suelo que en sedimento. En Italia, una encuesta realizada en las cercanías de Roma encontró un bajo nivel de contaminación; todas las cepas eran proteolíticas C. botulínica tipo A o B.

Australia

C. botulinum tipo A se encontró presente en muestras de suelo de áreas montañosas de Victoria. Se detectaron organismos de tipo B en lodo marino de Tasmania. Tipo-A C. botulinum se ha encontrado en los suburbios de Sydney y los tipos A y B se han aislado de las zonas urbanas. En un área bien definida de la región de Darling-Downs de Queensland, un estudio mostró la prevalencia y persistencia de C. botulinum tipo B después de muchos casos de botulismo en caballos.

Uso y detección

C. botulinum se utiliza para preparar los medicamentos Botox, Dysport, Xeomin y Neurobloc utilizados para paralizar selectivamente los músculos para aliviar temporalmente la función muscular. Tiene otros "off-label" fines médicos, como el tratamiento del dolor facial intenso, como el causado por la neuralgia del trigémino.

Toxina botulínica producida por C. botulinum a menudo se cree que es un arma biológica potencial, ya que es tan potente que se necesitan alrededor de 75 nanogramos para matar a una persona (DL50 de 1 ng/kg, suponiendo que una persona promedio pesa ~75 kg); 1 kilogramo sería suficiente para matar a toda la población humana. A efectos comparativos, una cuarta parte del peso típico de un grano de arena (350 ng) de toxina botulínica constituiría una dosis letal para los humanos.

Una "protección de ratón" o "bioensayo en ratón" prueba determina el tipo de C. toxina botulínica presente utilizando anticuerpos monoclonales. También se puede usar un ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas (ELISA) con anticuerpos marcados con digoxigenina para detectar la toxina, y la PCR cuantitativa puede detectar los genes de la toxina en el organismo.

Condiciones de crecimiento y prevención

C. botulinum es una bacteria del suelo. Las esporas pueden sobrevivir en la mayoría de los ambientes y son muy difíciles de matar. Pueden sobrevivir a la temperatura del agua hirviendo al nivel del mar, por lo que muchos alimentos se enlatan con un hervor presurizado que alcanza temperaturas aún más altas, suficientes para matar las esporas. Esta bacteria está ampliamente distribuida en la naturaleza y se puede suponer que está presente en todas las superficies de los alimentos. Su temperatura óptima de crecimiento está dentro del rango mesófilo. En forma de esporas, es un patógeno resistente al calor que puede sobrevivir en alimentos bajos en ácido y crecer para producir toxinas. La toxina ataca el sistema nervioso y matará a un adulto en una dosis de alrededor de 75 ng. Esta toxina se desintoxica manteniendo los alimentos a 100 °C durante 10 minutos.

La intoxicación por botulismo puede ocurrir debido a alimentos bajos en ácido en conserva o enlatados en casa que no se procesaron utilizando los tiempos o la presión de conservación correctos. El crecimiento de la bacteria se puede prevenir con una alta acidez, una alta proporción de azúcar disuelta, altos niveles de oxígeno, niveles muy bajos de humedad o almacenamiento a temperaturas inferiores a 3 °C (38 °F) para el tipo A. Por ejemplo, en un Los vegetales enlatados de baja acidez, como las judías verdes, que no se calientan lo suficiente como para matar las esporas (es decir, un ambiente presurizado) pueden proporcionar un medio libre de oxígeno para que las esporas crezcan y produzcan la toxina. Sin embargo, los encurtidos son lo suficientemente ácidos para evitar el crecimiento; incluso si las esporas están presentes, no representan ningún peligro para el consumidor.

La miel, el jarabe de maíz y otros edulcorantes pueden contener esporas, pero las esporas no pueden crecer en una solución de azúcar altamente concentrada; sin embargo, cuando un edulcorante se diluye en el sistema digestivo bajo en oxígeno y ácido de un bebé, las esporas pueden crecer y producir toxinas. Tan pronto como los bebés comienzan a comer alimentos sólidos, los jugos digestivos se vuelven demasiado ácidos para que crezca la bacteria.

El control del botulismo alimentario causado por C. botulinum se basa casi por completo en la destrucción térmica (calentamiento) de las esporas o en la inhibición de la germinación de las esporas en bacterias y en permitir que las células crezcan y produzcan toxinas en los alimentos. Las condiciones propicias para el crecimiento dependen de varios factores ambientales. Crecimiento de C. botulinum es un riesgo en los alimentos de baja acidez definidos por tener un pH superior a 4,6, aunque el crecimiento se retarda significativamente con un pH inferior a 4,9.

A principios del siglo XXI, se informaron algunos casos y condiciones específicas para mantener el crecimiento con un pH inferior a 4,6. pero a mayor temperatura.

Diagnóstico

Los médicos pueden considerar el diagnóstico de botulismo en función de la presentación clínica del paciente, que clásicamente incluye un inicio agudo de neuropatías craneales bilaterales y debilidad descendente simétrica. Otras características clave del botulismo incluyen ausencia de fiebre, déficits neurológicos simétricos, frecuencia cardíaca normal o lenta y presión arterial normal, y ausencia de déficits sensoriales excepto visión borrosa. Una anamnesis y un examen físico cuidadosos son fundamentales para diagnosticar el tipo de botulismo, así como para descartar otras afecciones con hallazgos similares, como el síndrome de Guillain-Barré, el accidente cerebrovascular y la miastenia grave. Dependiendo del tipo de botulismo considerado, pueden estar indicadas diferentes pruebas para el diagnóstico.

• Botulismo alimentario: análisis de suero para toxinas por bioassay en ratones debe hacerse, ya que la demostración de las toxinas es diagnóstico.
• Botulismo malo: aislamiento C. botulinum del sitio de la herida debe ser intentado, ya que el crecimiento de la bacteria es diagnóstico.
• Botulismo entático y infantil adulto: aislamiento y crecimiento C. botulinum de las muestras de heces es diagnóstico. El botulismo infantil es un diagnóstico que a menudo se pierde en la sala de emergencias.

Otras pruebas que pueden ser útiles para descartar otras afecciones son:

• La electromiografía (EMG) o los estudios de anticuerpos pueden ayudar con la exclusión de la miastenia gravis y el síndrome miasténico de Lambert–Eaton (LEMS).
• La colección de proteínas y sangre del líquido cefalorraquídeo ayudan con la exclusión del síndrome de Guillan-Barre y el derrame cerebral.
• El examen físico detallado del paciente para cualquier presencia de sarpullido o garrapata ayuda con la exclusión de cualquier parálisis de garrapata transmitida.

Tratamiento

En caso de diagnóstico o sospecha de botulismo, los pacientes deben ser hospitalizados de inmediato, incluso si el diagnóstico y/o las pruebas están pendientes. Si se sospecha botulismo, los pacientes deben ser tratados de inmediato con terapia con antitoxinas para reducir la mortalidad. También se recomienda encarecidamente la intubación inmediata, ya que la insuficiencia respiratoria es la principal causa de muerte por botulismo.

En Canadá, actualmente solo hay tres terapias de antitoxinas disponibles, a las que se puede acceder a través del Programa de acceso especial (SAP) de Health Canada. Los tres tipos de terapias con antitoxinas son: 1) GlaxoSmithKline trivalente Tipos ABE, 2) NP-018 (heptavalente) Tipos A a G, y 3) BabyBIG, inmunoglobulina antibotulismo intravenosa (humana) (BIG-IV) para pacientes pediátricos bajo el edad de un año.

Los resultados varían entre uno y tres meses, pero con intervenciones rápidas, la mortalidad por botulismo oscila entre menos del 5 % y el 8 %.

Vacunación

Solía haber una vacuna de toxoide tratada con formalina contra el botulismo (serotipos A-E), pero se suspendió en 2011 debido a la disminución de la potencia en la reserva de toxoide. Originalmente estaba destinado a personas en riesgo de exposición. Algunas vacunas nuevas están en desarrollo.