Microbiología médica

La microbiología médica, el gran subconjunto de la microbiología que se aplica a la medicina, es una rama de la ciencia médica que se ocupa de la prevención, el diagnóstico y el tratamiento de las enfermedades infecciosas. Además, este campo de la ciencia estudia diversas aplicaciones clínicas de los microbios para mejorar la salud. Hay cuatro tipos de microorganismos que causan enfermedades infecciosas: bacterias, hongos, parásitos y virus, y un tipo de proteína infecciosa llamada prión.

Un microbiólogo médico estudia las características de los patógenos, sus modos de transmisión, mecanismos de infección y crecimiento. La calificación académica como microbiólogo clínico/médico en un hospital o centro de investigación médica generalmente requiere una licenciatura, mientras que en algunos países se requiere una maestría en microbiología junto con un doctorado en alguna de las ciencias de la vida (bioquímica, microbiología, biotecnología, genética, etc.). Los microbiólogos médicos a menudo actúan como consultores para los médicos, proporcionando identificación de patógenos y sugiriendo opciones de tratamiento. Con esta información, se puede diseñar un tratamiento. Otras tareas pueden incluir la identificación de riesgos potenciales para la salud de la comunidad o el seguimiento de la evolución de cepas de microbios potencialmente virulentas o resistentes, educar a la comunidad y ayudar en el diseño de prácticas de salud. También pueden ayudar a prevenir o controlar epidemias y brotes de enfermedades. No todos los microbiólogos médicos estudian la patología microbiana; algunos estudian especies comunes, no patógenas para determinar si sus propiedades se pueden utilizar para desarrollar antibióticos u otros métodos de tratamiento.

La epidemiología, el estudio de los patrones, causas y efectos de las condiciones de salud y enfermedad en las poblaciones, es una parte importante de la microbiología médica, aunque el aspecto clínico del campo se centra principalmente en la presencia y el crecimiento de infecciones microbianas en individuos, sus efectos en el cuerpo humano y los métodos para tratar esas infecciones. En este sentido, todo el campo, como ciencia aplicada, puede subdividirse conceptualmente en subespecialidades académicas y clínicas, aunque en realidad existe un continuo fluido entre la microbiología de salud pública y la microbiología clínica, de la misma manera que el estado del arte en los laboratorios clínicos depende de las mejoras continuas en la medicina académica y los laboratorios de investigación.

En 1676, Anton van Leeuwenhoek observó bacterias y otros microorganismos utilizando un microscopio de lente única diseñado por él mismo.

En 1796, Edward Jenner desarrolló un método que utilizaba la viruela bovina para inmunizar con éxito a un niño contra la viruela. Los mismos principios se utilizan para desarrollar vacunas en la actualidad.

En 1857, Louis Pasteur diseñó también vacunas contra diversas enfermedades como el ántrax, el cólera aviar y la rabia, así como la pasteurización para la conservación de los alimentos.

En 1867 Joseph Lister es considerado el padre de la cirugía antiséptica. Al esterilizar los instrumentos con ácido carbólico diluido y utilizarlo para limpiar las heridas, se redujeron las infecciones postoperatorias, haciendo que la cirugía fuera más segura para los pacientes.

Entre 1876 y 1884, Robert Koch aportó importantes conocimientos sobre las enfermedades infecciosas. Fue uno de los primeros científicos que se centró en el aislamiento de bacterias en cultivos puros, lo que dio origen a la teoría de los gérmenes, según la cual un determinado microorganismo es responsable de una determinada enfermedad. En torno a esta teoría, desarrolló una serie de criterios que se han conocido como los postulados de Koch.

Un hito importante en la microbiología médica es la tinción de Gram. En 1884, Hans Christian Gram desarrolló el método de teñir las bacterias para hacerlas más visibles y diferenciadas bajo el microscopio. Esta técnica se utiliza ampliamente en la actualidad.

En 1910, Paul Ehrlich probó múltiples combinaciones de sustancias químicas a base de arsénico en conejos infectados con sífilis. Ehrlich descubrió que la arsfenamina era eficaz contra las espiroquetas de la sífilis. La arsfenamina se comercializó en 1910 y se la conoció como Salvarsan.

En 1929, Alexander Fleming desarrolló una de las sustancias antibióticas más utilizadas en aquella época y en la actualidad: la penicilina.

En 1939, Gerhard Domagk descubrió que el Prontosil rojo protegía a los ratones de los estreptococos y estafilococos patógenos sin causarles toxicidad. Domagk recibió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina por el descubrimiento de la sulfa.

La secuenciación del ADN, un método desarrollado por Walter Gilbert y Frederick Sanger en 1977, provocó un rápido cambio en el desarrollo de vacunas, tratamientos médicos y métodos de diagnóstico. Algunos de ellos incluyen la insulina sintética que se produjo en 1979 utilizando ADN recombinante y la primera vacuna genéticamente modificada creada en 1986 para la hepatitis B.

En 1995, un equipo del Instituto de Investigación Genómica secuenció el primer genoma bacteriano, el Haemophilus influenzae. Unos meses más tarde, se completó el primer genoma eucariota, que resultaría inestimable para las técnicas de diagnóstico.

En 2007, un equipo de la empresa alimentaria danesa Danisco logró identificar el propósito de los sistemas CRIPR-Cas como inmunidad adaptativa a los fagos. Rápidamente se descubrió que el sistema podía ayudar en la edición del genoma gracias a su capacidad para generar rupturas de doble cadena. Un paciente con anemia falciforme fue la primera persona en recibir tratamiento por un trastorno genético con CRISPR en julio de 2019.

Bacteria

• Faringitis estoreptocócica
• Chlamydia
• Fiebre tifoidea
• Tuberculosis

Vírico

• Rotavirus
• Hepatitis C
• Virus del papiloma humano (VPH)

Parásito

• Paludismo
• Giardia lamblia
• Toxoplasma gondii

Hongos

• Candida
• Histoplasmosis
• Dandruff

Las infecciones pueden ser causadas por bacterias, virus, hongos y parásitos. El patógeno que causa la enfermedad puede ser exógeno (adquirido de una fuente externa; ambiental, animal u otras personas, p. ej., influenza) o endógeno (de la flora normal, p. ej., candidiasis).

El sitio por el que un microbio ingresa al cuerpo se denomina puerta de entrada. Estos incluyen el tracto respiratorio, el tracto gastrointestinal, el tracto genitourinario, la piel y las membranas mucosas. La puerta de entrada de un microbio específico normalmente depende de cómo viaja desde su hábitat natural hasta el huésped.

Existen diversas formas de transmisión de enfermedades entre personas. Entre ellas se incluyen:

• Contacto directo - Tocar a un huésped infectado, incluyendo contacto sexual
• Contacto directo - Tocar una superficie contaminada
• Contacto de goteo - Tos o estornudos
• Ruta fecal-oral - Ingestión de alimentos contaminados o fuentes de agua
• Transmisión aérea - Patógeno portador de esporas
• Transmisión vectorial - Un organismo que no causa enfermedad en sí mismo pero transmite la infección transportando patógenos de un host a otro
• Transmisión fomita - objeto o sustancia inanimada capaz de transportar gérmenes o parásitos infecciosos
• Environmental - Infección adquirida por los hospitales (infecciones nosocomiales)

Al igual que otros patógenos, los virus utilizan estos métodos de transmisión para entrar en el organismo, pero se diferencian en que también deben entrar en las células del huésped. Una vez que el virus ha conseguido acceder a las células del huésped, el material genético del virus (ARN o ADN) debe introducirse en la célula. La replicación entre virus varía mucho y depende del tipo de genes implicados en ellos. La mayoría de los virus de ADN se ensamblan en el núcleo, mientras que la mayoría de los virus de ARN se desarrollan únicamente en el citoplasma.

Los mecanismos de infección, proliferación y persistencia de un virus en las células del huésped son cruciales para su supervivencia. Por ejemplo, algunas enfermedades como el sarampión emplean una estrategia según la cual el virus debe propagarse a una serie de huéspedes. En estas formas de infección viral, la enfermedad suele ser tratada por la propia respuesta inmunitaria del organismo y, por lo tanto, el virus debe dispersarse a nuevos huéspedes antes de ser destruido por la resistencia inmunológica o la muerte del huésped. Por el contrario, algunos agentes infecciosos, como el virus de la leucemia felina, son capaces de resistir las respuestas inmunitarias y lograr una residencia a largo plazo dentro de un huésped individual, al tiempo que conservan la capacidad de propagarse a huéspedes sucesivos.

La identificación de un agente infeccioso para una enfermedad menor puede ser tan simple como la presentación clínica, como una enfermedad gastrointestinal o infecciones de la piel. Para hacer una estimación fundamentada de qué microbio podría estar causando la enfermedad, se deben considerar factores epidemiológicos, como la probabilidad de exposición del paciente al organismo sospechoso y la presencia y prevalencia de una cepa microbiana en una comunidad.

El diagnóstico de una enfermedad infecciosa casi siempre se inicia consultando la historia clínica del paciente y realizando un examen físico. Las técnicas de identificación más detalladas incluyen el cultivo microbiano, la microscopía, las pruebas bioquímicas y la genotipificación. Otras técnicas menos comunes (como radiografías, tomografías computarizadas, tomografías por emisión de positrones o resonancias magnéticas) se utilizan para producir imágenes de anomalías internas resultantes del crecimiento de un agente infeccioso.

El cultivo microbiológico es el método principal que se utiliza para aislar enfermedades infecciosas para su estudio en el laboratorio. Se analizan muestras de tejido o fluidos para detectar la presencia de un patógeno específico, que se determina mediante el crecimiento en un medio selectivo o diferencial.

Los 3 tipos principales de medios utilizados para las pruebas son:

• Cultura sólida: Se crea una superficie sólida utilizando una mezcla de nutrientes, sales y agar. Un solo microbio en una placa de agar puede luego crecer en colonias (clones donde las células son idénticas entre sí) que contienen miles de células. Estos se utilizan principalmente para cultivar bacterias y hongos.
• Cultura líquido: Las células se cultivan dentro de un medio líquido. El crecimiento microbiano se determina por el tiempo que se toma para que el líquido forme una suspensión coloidal. Esta técnica se utiliza para diagnosticar parásitos y detectar micobacterias.
• Cultura celular: Las culturas humanas o de células animales están infectadas con el microbio de interés. Estas culturas se observan para determinar el efecto que tiene el microbio en las células. Esta técnica se utiliza para identificar virus.

Las técnicas de cultivo suelen utilizar un examen microscópico para ayudar a identificar el microbio. Se pueden utilizar instrumentos como microscopios ópticos compuestos para evaluar aspectos críticos del organismo. Esto se puede realizar inmediatamente después de tomar la muestra del paciente y se utiliza junto con técnicas de tinción bioquímica, lo que permite la resolución de las características celulares. Los microscopios electrónicos y los microscopios de fluorescencia también se utilizan para observar microbios con mayor detalle para la investigación. Los dos tipos principales de microscopía electrónica son la microscopía electrónica de barrido y la microscopía electrónica de transmisión. La microscopía electrónica de transmisión pasa electrones a través de una sección transversal delgada de la célula de interés y luego redirige los electrones a una pantalla fluorescente. Este método es útil para observar el interior de las células y las estructuras internas, especialmente las paredes celulares y las membranas. La microscopía electrónica de barrido lee los electrones que se reflejan en la superficie de las células. Luego se crea una imagen tridimensional que muestra el tamaño y la estructura exterior de las células. Ambas técnicas ayudan a brindar información más detallada sobre la estructura de los microbios. Esto hace que sean útiles en muchos campos médicos, como el diagnóstico y las biopsias de muchas partes del cuerpo, la higiene y la virología. Proporcionan información fundamental sobre la estructura de los patógenos, lo que permite a los médicos tratarlos con más conocimientos.

Para identificar agentes infecciosos se pueden utilizar pruebas bioquímicas rápidas y relativamente sencillas. Para la identificación bacteriana, es común el uso de características metabólicas o enzimáticas debido a su capacidad de fermentar carbohidratos en patrones característicos de su género y especie. Los ácidos, alcoholes y gases suelen detectarse en estas pruebas cuando las bacterias se cultivan en medios líquidos o sólidos selectivos, como se mencionó anteriormente. Para realizar estas pruebas en masa, se utilizan máquinas automatizadas. Estas máquinas realizan múltiples pruebas bioquímicas simultáneamente, utilizando tarjetas con varios pocillos que contienen diferentes químicos deshidratados. El microbio de interés reaccionará con cada químico de una manera específica, lo que ayuda a su identificación.

Los métodos serológicos son pruebas de laboratorio sumamente sensibles, específicas y a menudo extremadamente rápidas que se utilizan para identificar distintos tipos de microorganismos. Las pruebas se basan en la capacidad de un anticuerpo de unirse específicamente a un antígeno. El antígeno (normalmente una proteína o un carbohidrato producido por un agente infeccioso) se une al anticuerpo, lo que permite que este tipo de prueba se utilice para organismos distintos de las bacterias. Esta unión desencadena una cadena de acontecimientos que se pueden observar de forma fácil y definitiva, según la prueba. Las técnicas serológicas más complejas se conocen como inmunoensayos. Utilizando una base similar a la descrita anteriormente, los inmunoensayos pueden detectar o medir antígenos de agentes infecciosos o de las proteínas generadas por un huésped infectado en respuesta a la infección.

Los ensayos de reacción en cadena de la polimerasa (PCR) son la técnica molecular más utilizada para detectar y estudiar microbios. En comparación con otros métodos, la secuenciación y el análisis son definitivos, fiables, precisos y rápidos. Hoy en día, la PCR cuantitativa es la técnica principal utilizada, ya que este método proporciona datos más rápidos en comparación con un ensayo de PCR estándar. Por ejemplo, las técnicas de PCR tradicionales requieren el uso de electroforesis en gel para visualizar las moléculas de ADN amplificadas una vez finalizada la reacción. La PCR cuantitativa no lo requiere, ya que el sistema de detección utiliza fluorescencia y sondas para detectar las moléculas de ADN a medida que se amplifican. Además de esto, la PCR cuantitativa también elimina el riesgo de contaminación que puede ocurrir durante los procedimientos de PCR estándar (transferencia del producto de PCR a PCR posteriores). Otra ventaja de utilizar la PCR para detectar y estudiar microbios es que las secuencias de ADN de microbios o cepas infecciosas recién descubiertos se pueden comparar con las que ya figuran en las bases de datos, lo que a su vez ayuda a aumentar la comprensión de qué organismo está causando la enfermedad infecciosa y, por lo tanto, qué posibles métodos de tratamiento se podrían utilizar. Esta técnica es el estándar actual para detectar infecciones virales como el SIDA y la hepatitis.

Una vez que se ha diagnosticado e identificado una infección, el médico y los microbiólogos que la atienden deben evaluar las opciones de tratamiento adecuadas. Algunas infecciones pueden ser tratadas por el propio sistema inmunológico del cuerpo, pero las infecciones más graves se tratan con medicamentos antimicrobianos. Las infecciones bacterianas se tratan con antibacterianos (a menudo llamados antibióticos), mientras que las infecciones fúngicas y virales se tratan con antimicóticos y antivirales respectivamente. Una amplia clase de medicamentos conocidos como antiparasitarios se utilizan para tratar las enfermedades parasitarias.

Los microbiólogos médicos suelen hacer recomendaciones de tratamiento al médico del paciente en función de la cepa del microbio y su resistencia a los antibióticos, el sitio de la infección, la posible toxicidad de los medicamentos antimicrobianos y cualquier alergia a medicamentos que tenga el paciente.

Además de que los medicamentos son específicos para un determinado tipo de organismo (bacterias, hongos, etc.), algunos medicamentos son específicos para un determinado género o especie de organismo y no funcionarán en otros organismos. Debido a esta especificidad, los microbiólogos médicos deben considerar la eficacia de ciertos medicamentos antimicrobianos al hacer recomendaciones. Además, las cepas de un organismo pueden ser resistentes a un determinado medicamento o clase de medicamento, incluso cuando normalmente es eficaz contra la especie. Estas cepas, denominadas cepas resistentes, representan un grave problema de salud pública de creciente importancia para la industria médica a medida que empeora la propagación de la resistencia a los antibióticos. La resistencia a los antimicrobianos es un problema cada vez más problemático que provoca millones de muertes cada año.

Si bien la resistencia a los medicamentos generalmente implica que los microbios inactivan químicamente un fármaco antimicrobiano o que una célula detiene mecánicamente la absorción de un fármaco, otra forma de resistencia a los medicamentos puede surgir de la formación de biopelículas. Algunas bacterias pueden formar biopelículas al adherirse a las superficies de dispositivos implantados, como catéteres y prótesis, y crear una matriz extracelular a la que se adhieran otras células. Esto les proporciona un entorno estable desde el cual las bacterias pueden dispersarse e infectar otras partes del huésped. Además, la matriz extracelular y la densa capa externa de células bacterianas pueden proteger a las células bacterianas internas de los fármacos antimicrobianos.

La terapia con fagos es una técnica que se descubrió antes de los antibióticos, pero que quedó en el olvido cuando estos se hicieron predominantes. Ahora se la considera una posible solución para aumentar la resistencia a los antimicrobianos. Los bacteriófagos, virus que solo infectan bacterias, pueden atacar específicamente a las bacterias de interés e inyectar su genoma. Este proceso hace que la bacteria detenga su propia producción para generar más fagos, y esto continúa hasta que la bacteria se autolisis y libere los fagos al ambiente circundante. La terapia con fagos no mata la microbiota, ya que es específica, y puede ayudar a las personas con alergias a los antibióticos. Algunas desventajas son que es un proceso que requiere mucho tiempo, ya que es necesario identificar la bacteria específica. Además, actualmente no cuenta con el mismo conjunto de investigaciones que respalden sus efectos y seguridad que los antibióticos. Las bacterias también pueden llegar a volverse resistentes, a través de sistemas como el sistema CRISPR/Cas9. Sin embargo, muchos ensayos clínicos han sido prometedores y han demostrado que podría ayudar potencialmente con el problema de la resistencia a los antimicrobianos. También se puede utilizar junto con antibióticos para lograr un efecto acumulativo.

La microbiología médica no sólo se ocupa del diagnóstico y el tratamiento de enfermedades, sino que también implica el estudio de microbios beneficiosos. Se ha demostrado que los microbios son útiles para combatir enfermedades infecciosas y promover la salud. Se pueden desarrollar tratamientos a partir de microbios, como lo demostró el descubrimiento de la penicilina por parte de Alexander Fleming, así como el desarrollo de nuevos antibióticos a partir del género bacteriano Streptomyces, entre muchos otros. Los microorganismos no sólo son una fuente de antibióticos, sino que algunos también pueden actuar como probióticos para proporcionar beneficios para la salud del huésped, como proporcionar una mejor salud gastrointestinal o inhibir patógenos.