Preguntas del estudio Esterilidad de los venenos de serpientes y arañas

ARRIBA: Muestras de veneno recolectadas cuidadosamente de cobras escupidoras de cuello negro (izquierda) contienen bacterias que crecen en agar sangre (centro) y agar MacConkey (derecha). STEVE TRIM Y STERGHIOS MOSCHOS

Actualización (31 de mayo): el artículo descrito en este artículo se publicó el 23 de mayo en Microbiology Spectrum.

Durante años, los investigadores han buscado venenos animales para la próxima generación de antibióticos. Eso es porque estos cócteles químicos poseen potentes actividades antimicrobianas además de sus peligrosas actividades fisiológicas, un hecho que también ha llevado a la idea generalizada de que, a pesar de estar conectadas con el mundo exterior, las glándulas venenosas son entornos estériles.

Eso es simplemente no es cierto, postula una preimpresión de biorXiv  del 5 de noviembre. Como resume claramente el título, la adaptación microbiana al veneno es común en serpientes y arañas.  

La investigación fue dirigida por el biólogo de ARN Sterghios Moschos de la Universidad de Northumbria y el venomólogo Steve Trim, fundador de la empresa de biotecnología Venomtech, cuyo objetivo es desarrollar herramientas de investigación y productos farmacéuticos basados en venenos. Proporciona pruebas genéticas y de cultivo de que las bacterias no solo viven en los venenos de varias especies de arañas y serpientes, sino que también se adaptan activamente al entorno de las glándulas venenosas, lo que podría tener implicaciones para la evolución de los venenos y el tratamiento clínico de las mordeduras.

Una cobra escupidora de cuello negro (Naja nigricollis) una de las especies estudiadas de Watamu, Kenia Johan Marais

Este artículo es notable, escribe John Dunbar, biólogo de la Universidad Nacional de Irlanda en Galway, en un correo electrónico a The Scientist. Dunbar, que no participó en la investigación, dice que la evidencia que proporciona el estudio en contra de la visión tradicional de los venenos y las glándulas venenosas como ambientes estériles es sólida: arroja una llave inglesa en el trabajo.

Universidad de La toxinóloga médica de Arizona, Leslie Boyer, que tampoco participó en el trabajo, está de acuerdo en que los autores presentan pruebas convincentes de microbios que habitan en el veneno. Pero como médica que ha tratado casos de mordeduras de serpiente durante décadas, Boyer dice que es escéptica de que los microbios descritos en el artículo tengan una relevancia clínica inmediata. Hay una gran diferencia entre una buena ciencia básica y una ciencia clínica aplicada significativa. Y este es el primer paso en un camino que posiblemente podría conducir a implicaciones clínicas, pero aún no las tiene, dice ella.

Derribando el dogma estéril

La idea de que los venenos animales son libre de gérmenes probablemente surgió en algún momento a mediados del siglo XX, cuando los investigadores comenzaron a documentar las actividades antimicrobianas de los venenos y sus componentes. Esa ciencia de laboratorio luego se tradujo a la práctica clínica, dice Boyer, en el sentido de que, incluso hasta el día de hoy, las mordeduras de serpiente a menudo no se tratan para prevenir infecciones. Boyer describe la mentalidad como, Oh diablos, el veneno es tan potente contra todo lo biológico, que mataría los gérmenes de todos modos. Simplemente va a matar todo en la herida, y nada vivirá, por lo que no tenemos que preocuparnos por la infección en absoluto.

Sin embargo, Sbastien Larrch, microbiólogo clínico en el Hpital d’Instruction Des Armes Bgin en Francia, señala en un correo electrónico a The Scientist que los nuevos métodos libres de cultivos sugieren que ninguna área anatómica es realmente estéril en los humanos. Por extrapolación, podemos asumir que el aparato venenoso tiene su propia microbiota. De hecho, la investigación ha encontrado microbios en las glándulas venenosas de calamares, caracoles y otros animales, aunque las investigaciones sobre los microbiomas de las glándulas venenosas son actualmente pocas y distantes entre sí, señala un artículo de Toxicon: X de 2019 en coautoría de Trim y moschos. Para remediar eso, el artículo anunció la fundación de un consorcio de investigación de veneno y microbioma llamado Iniciativa para Microbios y Parásitos Asociados al Veneno, o iVAMP.

Steve Trim sosteniendo un vial de veneno de Naja nigricollis Cortesía de STEVE TRIM

Al ver un vacío en la literatura, Moschos, Trim y sus colegas utilizaron métodos de cultivo y sin cultivo en el nuevo estudio para buscar microbios en los venenos de cinco especies de serpientes y dos de arañas. También tomaron muestras de la boca y los colmillos de los animales para comparar. Obtuvieron secuencias bacterianas 16S de todas sus muestras y microbios cultivables de la mayoría de ellas, informan, aunque las especies cultivadas representaron solo una fracción de lo que reveló el ADN. Los microbios detectados en las muestras de veneno diferían notablemente de la flora oral general de cada especie, con alrededor del 20 por ciento de los microbios detectados en las muestras de veneno que no se encuentran en la boca. Además, los autores descubrieron que algunos de los microorganismos cultivables, a saber, las cepas de Enterococcus faecalis, prosperan en el veneno de las cobras escupidoras de cuello negro (Naja nigricollis), probablemente gracias a mutaciones en genes implicados en la integridad de la membrana.

Los supuestos microbios venenosos que el equipo pudo cultivar eran notablemente resistentes a las toxinas de los animales. Normalmente, pones quince [miligramos por mililitro] de cualquier sustancia antimicrobiana [en su medio de crecimiento], y no solo la bacteria de interés no va a crecer, nada crecerá, explica Moschos. En este caso, nuestra bacteria creció muy felizmente [en esa y mayores concentraciones de veneno]. No se inhibieron en absoluto en el crecimiento. El documento señala que una cepa no mostró ningún efecto nocivo por el veneno, incluso a una concentración de proteína del veneno de 50 mg/ml, mientras que un aislado clínico resistente a la vancomicina de la misma especie fue eliminado en aproximadamente una quinta parte de esa cantidad.

Larrch, que no participó en el estudio, califica de sólidos los métodos microbiológicos utilizados por el equipo y señala que sigue existiendo el riesgo de contaminación por las bacterias presentes en los colmillos cuando se expulsa el veneno. Admite que el riesgo es difícil de eliminar, ya que es difícil (y sobre todo peligroso para el operador y para la serpiente) desinfectar cuidadosamente los colmillos antes de tomar muestras.

La científica de venenos de la Universidad de Queensland Samantha Nixon, quien Tampoco participó en la investigación, dice que el muestreo de los colmillos y la boca además de los venenos para tratar de descartar la contaminación fue bastante inteligente y realmente una fortaleza de este estudio en comparación con los anteriores. Aún así, también se pregunta si las muestras de veneno estaban realmente libres de microbios de colmillos. Cuando recolecto venenos de araña, a menudo saco un poco de escombros de los colmillos de araña simplemente porque la electroestimulación utilizada para expulsar el veneno hace que las arañas se muevan un poco, lo que puede desprender y esparcir la suciedad de sus cuerpos. Agrega, sin embargo, que los protocolos de los autores eran sólidos: lo he estado pensando. No estoy seguro de si hay una manera mucho mejor de hacerlo.   

A pesar de todo, dice, el estudio se está sumando a un cuerpo de evidencia en construcción de que realmente hay microbios en las glándulas venenosas, y que probablemente juegan un papel bastante importante.

¿Carrera armamentista o función?

Moschos y Trim dicen que es probable que estas bacterias se hayan pasado por alto durante tanto tiempo a pesar de la extensa investigación sobre los venenos de serpientes y arañas debido a la forma en que estos venenos se preparan generalmente. Poco después de la recolección, la mayoría de los venenos se someten a liofilización, una especie de liofilización para prolongar su vida útil. Pero el proceso destruye cualquier bacteria viva, por lo que los métodos de cultivo para la detección de microbios estarían fuera de la mesa. Eso deja los métodos basados en el ADN, que también resultan complicados debido a las enzimas y otras sustancias químicas en el veneno que pueden interferir con la PCR.

De hecho, el equipo dice que uno de los grandes desafíos de esta investigación fue descubrir cómo extraer ADN del veneno. Nunca había visto algo así, describe Moschos, cuya investigación se centra predominantemente en la obtención de material genético a partir de muestras complicadas, como el aliento exhalado. Tuvimos que jugar un poco, dice, para que los protocolos de extracción funcionaran.

Moschos y Trim dicen que esperan que otros investigadores tomen sus métodos y los prueben en otras especies venenosas. Su corazonada es que no hay nada particularmente especial en las especies que usaron; los microbios simplemente pueden evolucionar para vivir en cualquier lugar, incluso en glándulas que producen venenos altamente antimicrobianos. Ahora ellos y sus colegas quieren saber: ¿De dónde provienen las bacterias y qué hacen allí?

Poecilotheria regalis, una de las arañas examinadas en el estudio STEVE TRIM

La bacteria son probablemente oportunistas, sugieren Moschos y Trim. Como dice Dunbar, el veneno es un caldo perfectamente nutritivo gracias a todas las proteínas y otras biomoléculas que contiene. Todo lo que un microbio tiene que hacer para aprovechar este recurso es sobrevivir. Trim dice que la posibilidad de residencia bacteriana puede ser la razón por la que esos antimicrobianos están en el veneno en primer lugar para garantizar que su composición bioquímica siga siendo lo suficientemente potente para la caza o la protección contra la depredación durante los días, semanas o incluso meses que se almacena en el glándulas antes de su uso. Si las bacterias están metabolizando su arsenal, puede ver el potencial de que los venenos se desactiven, dice. Bien puede haber una carrera armamentista entre los microbios y los animales venenosos, explica Trim, con animales que evolucionan para producir mayores cantidades y más potentes antimicrobianos para que su cóctel tóxico dure lo suficiente para su uso, mientras que los microbios desarrollan formas de subvertir estos compuestos.

En apoyo de esta idea, Moschos dice que el equipo encontró un enriquecimiento estadísticamente significativo para las mutaciones que sugieren que las bacterias están evolucionando activamente, tratando constantemente de entrar en el veneno. Esto incluyó mutaciones en genes asociados con la resistencia a los antimicrobianos y con la integridad de la membrana, que podrían ser esenciales para resistir las toxinas que cortan los lípidos del veneno.

Sin embargo, la relación entre los microbios de las glándulas venenosas y sus huéspedes puede no ser completamente antagónica. . Los animales venenosos como los pulpos de anillos azules del género Hapalochlaena usan toxinas producidas por bacterias en sus venenos, señala Nixon; si los microbiomas de las glándulas venenosas están presentes en la mayoría o en todos los animales venenosos, es posible que tales asociaciones mutualistas con las bacterias estén más extendidas de lo que se piensa actualmente.

Además, Nixon señala que bien puede haber cambios dinámicos en los venenos y sus microbiomas. Muchos animales venenosos modularán su veneno en respuesta a los estímulos ambientales y los cambios de vida, dice, por lo que creo que la cuestión de si la glándula venenosa responde a los cambios en el microbioma es realmente interesante, y potencialmente podría investigarse utilizando la producción de veneno. organoides.  

Quedan preguntas clínicas

Cualquiera que sea el papel que desempeñen en los animales venenosos, si las bacterias que habitan en el veneno pueden infectar la piel y otros tejidos, podrían causar daño directo a las criaturas mordidas, incluyendo humanos Moschos sospecha que las bacterias que habitan en el veneno son especialmente patógenas. En el momento en que el veneno golpea ese tejido, y hay una lisis masiva, una muerte celular masiva para el huésped que crea una sopa de nutrientes en la que las bacterias están felices de haber sido inyectadas. En la herida de la mordedura de serpiente, pueden sentarse allí y simplemente comer, comer, comer, reproducirse, crecer.

La opresión del veneno se elimina repentinamente y son libres de entrar en un [crecimiento] exponencial completo, agrega Trim.

De hecho, el descubrimiento de Moschos, Trim y sus colegas de Enterococcus faecalis en el veneno de la cobra escupidora es particularmente intrigante porque se sabe que esta especie es responsable de muchas infecciones de heridas por mordedura de serpiente. Sin embargo, la investigación no llegó a evaluar directamente la relevancia clínica de este o cualquier otro microbio potencialmente vector de veneno.

Hay una gran diferencia entre una buena ciencia básica y una ciencia clínica aplicada significativa. Y este es el primer paso en un camino que posiblemente podría conducir a implicaciones clínicas, pero aún no las tiene.

Leslie Boyer, Universidad de Arizona

Dunbar dice que la suposición predominante de que todas las infecciones de las picaduras venenosas son de microbios oportunistas que viven en la piel o en el medio ambiente nunca tuvo sentido para él, particularmente cuando se trata de picaduras de araña. En mi línea de trabajo, he sufrido cortes y rasguños al caminar por los pantanos de América del Sur, las selvas asiáticas y los desiertos africanos y todavía no he experimentado una infección bacteriana, señala, haciéndolo escéptico de que una picadura de una araña diminuta con colmillos tan pequeños Ni siquiera puedo ver que la herida punzante se infectaría con microbios de la piel. Parece mucho más plausible que las bacterias patógenas y resistentes a los antibióticos en el veneno o en los colmillos que han penetrado las barreras de la piel sean mucho más probables de establecer una infección.

Dunbar y sus colegas han investigado la idea para las picaduras de viudas falsas (Steatoda nobilis), descubriendo que las bacterias en los colmillos de las arañas son distintas de las bacterias en sus cuerpos e incluyen patógenos humanos resistentes a los antibióticos. Sin embargo, el estudio no examinó el veneno de las arañas o las glándulas venenosas, esa investigación está en proceso, dice Dunbar. Añade que el equipo descubrió que el veneno no tenía ningún efecto inhibidor [sobre] las bacterias, lo que sugiere que las bacterias potencialmente transferidas durante una mordedura no serían inhibidas directamente por la actividad del veneno.

Boyer no cree esta línea. de razonamiento para las mordeduras de serpientes. Quiero ver qué sucede cuando esos gérmenes entran en los pacientes, dice. Simplemente no creo que los gérmenes que están siendo propulsados por los colmillos de serpiente estén teniendo un impacto estadísticamente importante en la salud de mis pacientes en los EE. Prosperan como patógenos en los tejidos humanos.

Boyer agrega que, según su experiencia, las infecciones por mordeduras de serpiente son raras al principio, aunque esa observación se ve empañada por el uso de antibióticos por parte de los médicos de atención primaria que los pacientes a menudo ven por separado. También admite que en otras partes del mundo, incluida África subsahariana, donde se encuentran las cobras escupidoras de cuello negro, entre muchas otras serpientes venenosas, las infecciones son más comunes. Pero eso puede deberse a una miríada de factores, dice ella, incluida la mayor duración del tiempo que suele pasar antes de que los casos lleguen al hospital y el tipo de primeros auxilios que se brindan. Los curanderos tradicionales a veces hacen incisiones en las heridas por mordeduras o las frotan con mezclas botánicas, por ejemplo, lo que puede aumentar el potencial de infección, dice ella.

Larrch expresa reservas similares y dice que se necesita más investigación sobre una diversidad de serpientes, ya que los autores solo utilizaron especies de ofidios cuyas mordeduras se sabe que son fuentes regulares de infecciones. Agrega: En mi opinión, hubiera sido apropiado agregar especies como [miembros de los géneros de víboras] Vipera o Echis a este panel, cuya picadura, por el contrario, casi nunca se complica con una infección.

Por ahora, dice que el estudio no le ha hecho cambiar de opinión, todavía mantiene que los microbios oportunistas de la piel o del ambiente, no los derivados del veneno, son los culpables de las mordeduras. infecciones asociadas.

Moschos, por otro lado, dice que su trabajo lo ha convencido, argumentando que es poco probable que sea una coincidencia que el microbio más común en sus cultivos sea también el culpable más común de las infecciones por mordedura de serpiente. Si parece un pato y camina como un pato, probablemente no sea un pollo, dice.