Producción de antibióticos

La producción de antibióticos es un evento que ocurre naturalmente y que, gracias a los avances científicos, ahora se puede replicar y mejorar en entornos de laboratorio. Gracias al descubrimiento de la penicilina por Alexander Fleming y a los esfuerzos de Florey y Chain en 1938, se ha hecho posible la producción farmacéutica de antibióticos a gran escala. Al igual que con el descubrimiento inicial de la penicilina, la mayoría de los antibióticos se han descubierto por casualidad. La producción de antibióticos se puede agrupar en tres métodos: fermentación natural, semisintética y sintética. A medida que más y más bacterias continúan desarrollando resistencia a los antibióticos producidos actualmente, la investigación y el desarrollo de nuevos antibióticos siguen siendo importantes. Además de la investigación y el desarrollo de la producción de nuevos antibióticos, el reenvasado de los sistemas de administración es importante para mejorar la eficacia de los antibióticos que se producen actualmente. Las mejoras en este campo han incluido la capacidad de agregar antibióticos directamente a los dispositivos implantados, la aerosolización de antibióticos para administración directa y la combinación de antibióticos con no antibióticos para mejorar los resultados. El aumento de cepas de bacterias patógenas resistentes a los antibióticos ha llevado a una mayor urgencia para la financiación de la investigación y el desarrollo de antibióticos y al deseo de producir antibióticos nuevos y de mejor acción.

Identificación de antibióticos útiles

A pesar de la amplia variedad de antibióticos conocidos, menos del 1% de los agentes antimicrobianos tienen valor médico o comercial. Por ejemplo, mientras que la penicilina tiene un alto índice terapéutico ya que generalmente no afecta a las células humanas, no ocurre lo mismo con muchos antibióticos. Otros antibióticos simplemente carecen de ventajas sobre los que ya se utilizan o no tienen otras aplicaciones prácticas.

Los antibióticos útiles a menudo se descubren mediante un proceso de detección. Para llevar a cabo dicha evaluación, se cultivan aislados de muchos microorganismos diferentes y luego se analizan para producir productos difusibles que inhiban el crecimiento de los organismos de prueba. La mayoría de los antibióticos identificados en dicho examen ya se conocen y, por lo tanto, no deben tenerse en cuenta. El resto debe someterse a pruebas para determinar sus toxicidades selectivas y actividades terapéuticas, y los mejores candidatos pueden examinarse y posiblemente modificarse.

Una versión más moderna de este enfoque es un programa de diseño racional. Esto implica pruebas dirigidas a encontrar nuevos productos naturales que inhiban un objetivo específico, como una enzima que solo se encuentra en el patógeno objetivo, en lugar de pruebas para mostrar la inhibición general de un cultivo.

La investigación sobre la identificación de antibióticos ha demostrado que existe la oportunidad de alejarse de la metodología de detección de manchas en el césped, una metodología que aumenta las posibilidades de contaminación cruzada. Esta nueva metodología implica el uso de especies de Lactobacillus y muestra una zona clara de inhibición, además de permitir la determinación de la concentración inhibidora mínima.

Técnicas de producción industrial

Fermentación

La microbiología industrial se puede utilizar para producir antibióticos mediante el proceso de fermentación, en el que el microorganismo fuente se cultiva en recipientes grandes (de 100 000 a 150 000 litros o más) que contienen un medio de crecimiento líquido. La concentración de oxígeno, la temperatura, el pH y los nutrientes se controlan estrechamente. Como los antibióticos son metabolitos secundarios, el tamaño de la población debe controlarse con mucho cuidado para garantizar que se obtenga el máximo rendimiento antes de que las células mueran. Una vez completado el proceso, el antibiótico debe extraerse y purificarse hasta obtener un producto cristalino. Esto es más fácil de lograr si el antibiótico es soluble en un disolvente orgánico. De lo contrario, primero debe eliminarse mediante intercambio iónico, adsorción o precipitación química.

Semisintético

Una forma común de producción de antibióticos en los tiempos modernos es la semisintética. La producción semisintética de antibióticos es una combinación de fermentación natural y trabajo de laboratorio para maximizar el antibiótico. La maximización puede ocurrir a través de la eficacia del fármaco en sí, la cantidad de antibióticos producidos y la potencia del antibiótico que se produce. Dependiendo del fármaco que se produzca y del uso final de dicho antibiótico se determina lo que se intenta producir.

Un ejemplo de producción semisintética es el fármaco ampicilina. La ampicilina, un antibiótico betalactámico como la penicilina, se desarrolló añadiendo un grupo amino adicional (NH₂) al grupo R de la penicilina. Este grupo amino adicional le da a la ampicilina un espectro de uso más amplio que la penicilina. La meticilina es otro derivado de la penicilina y se descubrió a finales de la década de 1950; la diferencia clave entre penicilina y meticilina es la adición de dos grupos metoxi al grupo fenilo. Estos grupos metoxi permiten que la meticilina se use contra bacterias productoras de penicilinasa que de otro modo serían resistentes a la penicilina.

Sintético

No todos los antibióticos son producidos por bacterias; algunos se fabrican de forma completamente sintética en el laboratorio. Estos incluyen la clase de las quinolonas, de las cuales el ácido nalidíxico a menudo se considera el primero en ser descubierto. Al igual que otros antibióticos anteriores, el descubrimiento del ácido nalidíxico se ha atribuido a un accidente, descubierto cuando George Lesher intentaba sintetizar cloroquina. Sin embargo, una investigación reciente sobre el origen de las quinolonas descubrió que la descripción de las quinolonas se produjo en 1949 y que se presentaron patentes relativas a las quinolonas unos cinco años antes del descubrimiento de Lesher.

Cepas utilizadas para la producción

En los primeros años del descubrimiento de los antibióticos, los antibióticos que se estaban descubriendo eran antibióticos producidos naturalmente y eran producidos por hongos, como el antibiótico penicilina, o por bacterias del suelo, que pueden producir antibióticos como la estreptomicina y la tetraciclina.

Los microorganismos utilizados en la fermentación rara vez son idénticos al tipo salvaje. Esto se debe a que las especies a menudo se modifican genéticamente para producir la máxima cantidad de antibióticos. A menudo se utiliza la mutación, que se fomenta mediante la introducción de mutágenos como la radiación ultravioleta, los rayos X o determinadas sustancias químicas. La selección y posterior reproducción de las cepas de mayor rendimiento a lo largo de muchas generaciones pueden aumentar los rendimientos 20 veces o más. Otra técnica utilizada para aumentar los rendimientos es la amplificación de genes, en la que copias de genes que codifican enzimas implicadas en la producción de antibióticos se pueden insertar nuevamente en una célula, a través de vectores como los plásmidos. Este proceso debe estar estrechamente vinculado con la repetición de pruebas de la producción de antibióticos.

Algunos antibióticos son producidos naturalmente por hongos. Estos incluyen la cefalosporina productora de Acremonium chrysogenum.

La geldanamicina es producida por Streptomyces hygroscopicus.

La eritromicina es producida por lo que se llamaba Streptomyces erythreus y ahora se conoce como Saccharopolyspora erythraea.

La estreptomicina es producida por Streptomyces griseus.

La tetraciclina es producida por Streptomyces aureofaciens

La vancomicina es producida por Streptomyces orientalis, ahora conocida como Amycolatopsis orientalis.

Avances

La penicilina fue el primero de los antibióticos descubiertos. Después del descubrimiento surgió la cuestión de tomar la penicilina cruda producida naturalmente y desarrollar un método para que pudiera producirse a gran escala un antibiótico clínicamente significativo. A lo largo de muchos años, un equipo dirigido por Florey y Chain y con sede en Oxford logró purificar, concentrar y producir el antibiótico con éxito.

Los avances en la tecnología científica no siempre han llevado a mejores condiciones para la producción de antibióticos. Desde 1987 no se han descubierto nuevas clases de antibióticos para la producción industrial y el uso generalizado. Sin embargo, los nuevos avances en la secuenciación genómica y la tecnología han dado lugar a mejoras y descubrimientos en el campo de la producción de antibióticos. Ya se ha demostrado que la ingeniería genómica de grupos de genes de antibióticos conduce a un aumento en la producción de diferentes antibióticos.

Método de producción y administración de antibióticos

Los antibióticos no se vuelven completamente funcionales y entregables simplemente por el hecho de ser producidos. A menudo es necesario realizar modificaciones a los antibióticos para lograr la máxima eficacia. Las modificaciones de posproducción incluyen la fabricación de antibióticos en aerosol para evitar causar daños innecesarios a las bacterias ubicadas en otras partes del cuerpo y, en cambio, ir directamente a los pulmones. Las infecciones nosocomiales pueden provocar complicaciones graves durante y en la recuperación tras una cirugía o una estancia hospitalaria en general. Al combinar implantes quirúrgicos con antibióticos, los proveedores de atención médica pueden atacar un área específica de alto riesgo de infección sin tener que usar una dosis de antibióticos para todo el cuerpo.

Meropenem es un antibiótico que se administra al cuerpo mediante inyección. Cuando se produce, el meropenem es un antibiótico cristalino, por lo que debe mezclarse con la solución antes de que se pueda realizar la inyección. Durante este proceso, el meropenem se mezcla con carbonato de sodio y luego se diluye en agua, tras lo cual se puede inyectar.

La aerosolización de antibióticos es necesaria porque las infecciones pulmonares son especialmente problemáticas, por lo que es necesario atacar directamente la infección. Los antibióticos de amplio espectro pueden tener efectos secundarios perjudiciales cuando su acción también se ejerce contra bacterias no patógenas necesarias que residen en el microbioma humano. La aerosolización es eficaz para evitar el microbioma que existe en el tracto gastrointestinal al dirigir el antibiótico directamente a los pulmones. Este proceso se lleva a cabo después de la producción del propio antibiótico.

El aumento de bacterias resistentes a los antibióticos ha afectado la implantación de dispositivos médicos. En algunos casos, ya no basta con que los dispositivos sean estériles cuando se implantan en un individuo, ahora deben ser proactivos en la lucha contra las infecciones bacterianas. Como tal, ahora se están agregando antibióticos a la superficie de los dispositivos implantados como una capa adicional de defensa contra la amenaza de infección. Una de esas infecciones es la osteomielitis, que puede ofrecer desafíos únicos en los esfuerzos de tratamiento; un enfoque novedoso ha sido la creación de clavos de cemento antibiótico que pueden insertarse en el hueso infectado. Descritos por primera vez por Paley y Herzenberg, los clavos de cemento antibiótico tienen una doble finalidad, tanto de estabilización del hueso a tratar, como de prevención frente a infecciones post-procedimiento. Los clavos de cemento antibiótico se insertan durante la cirugía y se producen alrededor del momento del procedimiento utilizando materiales disponibles en el quirófano. Los antibióticos se mezclan con el relleno de cemento y luego se moldean alrededor de un anclaje de soporte; a menudo se utilizan tubos torácicos para garantizar un moldeado adecuado. Los tubos torácicos tienen la ventaja de ser baratos y ubicuos y se ha demostrado que tienen uniformidad en la producción de clavos de cemento con antibióticos. Los antibióticos llenan los huecos dentro de la matriz de cemento y, una vez secos y fraguados, se pueden insertar en el hueso. El antibiótico tiene un contacto directo con el área de la infección y conserva sus propiedades para actuar sobre la infección. Además de los clavos de cemento, se han utilizado espaciadores de cemento antibiótico para tratar y prevenir la osteomielitis, y durante un período de tiempo más prolongado. Al producir el material de cemento antibiótico es necesario elegir antibióticos que sean eficaces en esta forma híbrida; se ha descubierto que los antibióticos en forma de polvo que son de amplio espectro son los de mejor uso. Existen recomendaciones sobre la cantidad de antibiótico que se utiliza al mezclar con el cemento, pero no se han establecido pautas para toda la industria.

Desafíos

El desarrollo de antibióticos es difícil, mientras que muchos descubrimientos de fármacos han sido el resultado de un esfuerzo concertado y una intensa investigación y desarrollo, los antibióticos aparentemente se han descubierto por casualidad. Desde 1987 no ha habido descubrimientos ni desarrollo de una nueva clase de antibióticos. Esto se debe en parte a la naturaleza delicada de los antibióticos. Como la mayoría se producen biosintéticamente, requieren un organismo para producirse. Históricamente, esto ha significado que se cultivan y observan diferentes especies para detectar cualquier actividad antimicrobiana. Para empezar, esto no solo requiere una especie cultivable, sino que las condiciones en las que se cultivan las especies deben ser adecuadas para la producción de antibióticos, además de que la cantidad de antibióticos producidos alcance un umbral de densidad para que se pueda observar su función.

Otra razón detrás de la falta de producción de nuevos antibióticos es la disminución del retorno de la inversión en antibióticos y, por lo tanto, la falta de recursos destinados a investigación y desarrollo por parte de las compañías farmacéuticas privadas. La Organización Mundial de la Salud ha reconocido el peligro de las bacterias resistentes a los antibióticos y ha creado una lista de "patógenos prioritarios" que son de suma preocupación. Al hacerlo, la esperanza es estimular la investigación y el desarrollo que puedan crear una nueva generación de antibióticos. En Estados Unidos, la Autoridad de Investigación y Desarrollo Biomédico Avanzado (BARDA) tiene como objetivo apoyar el trabajo de la industria para producir nuevos antibióticos.

La acumulación de fosfato inorgánico puede limitar la producción biosintética de ciertos antibióticos; los investigadores descubrieron que al usar un agente atrapador de fosfato inorgánico, el fosfato sería secuestrado y la producción de antibióticos volvería a niveles normales, permitiendo así que la producción continúe.

El meropenem se mezcla con carbonato de sodio en posproducción antes de ser inyectado en el cuerpo; el análisis posterior de esta mezcla mediante resonancia magnética nuclear ha demostrado que se produce una segunda forma de meropenem. Esta segunda forma tiene dióxido de carbono adicional y existe junto a la forma pura. Para garantizar que Meropenem permanezca en la forma correcta, se desarrolló un proceso de cuatro pasos en el que la forma cruda se mezcla con una base en agua, se establece un pH adecuado, el producto se trata con alcanoles y luego se procesa la forma pura. aislado.