Mecanismos de resistencia bacteriana en la infección de implantes
Mechanisms of bacterial resistance in implant infection
CORDERO AMPUERO, J.
Departamento de Cirugía Ortopédica, Hospital Universitario La Paz, Madrid
Correspondencia:
Dr. J. CORDERO AMPUERO
C/ Océano Antártico, 41
28760 Madrid
E-mail: jcordero@teleline.es
Recibido: Enero de 2000.
Aceptado: Enero de 2000.
RESUMEN: Las infecciones de los implantes ortopédicos no se curan simplemente con antibióticos. Se han desarrollado diversas hipótesis explicativas complementarias entre sí:
Los antibióticos no llegan a los implantes: al no estar vascularizados los antibióticos y elementos inmunes sólo llegan por difusión desde los tejidos próximos.
Los biomateriales disminuyen la eficacia del sistema inmune: el polimetilmetacrilato inhibe la activación del complemento y la fagocitosis, infectándose más fácilmente que los metales ortopédicos. Éstos se infectan según su citotoxicidad, siendo el riesgo, de mayor a menor, con las aleaciones de acero inoxidable, cromo-cobalto, y titanio.
Adhesión y colonización bacteriana de la superficie de los implantes: sobre la superficie de un biomaterial compiten por adherirse las bacterias (infección) y las células del huésped (integración tisular). Si triunfan las bacterias se multiplican y forman colonias adheridas envueltas en glicopolisacáridos extracapsulares. Los antibióticos y elementos del sistema inmune atraviesan esta capa con gran dificultad, cronificándose la infección. Los materiales menos biocompatibles (menor adherencia de células del huésped) o de superficie más porosa se infectan más fácilmente.
Bacterias intracelulares: los Staphylococci y otros patógenos fagocitados son capaces de evitar su lisis, viviendo en situación vegetativa en el interior de los fagosomas de los macrófagos, protegidos de la mayoría de los antibióticos y de las sustancias del sistema inmune. Estas bacterias intracelulares son las responsables del mantenimiento de la infección y de las recidivas y reactivaciones periódicas. Para combatirlas habrán de utilizarse combinaciones de antibióticos de alta penetración y actividad intracelular (rifampicina, quatrimoxazol, ofloxacino, ciprofloxacino, clindamicina, macrólidos).
PALABRAS CLAVE: Infección. Implantes. Prótesis.
ABSTRACT: Infections of orthopedic implants are not cured by simple antibiotic treatment. Complementary hypotheses have been developed to explain this: Antibiotics do not reach implants: In the absence of vascularization, antibiotics and immune components can only reach the implant by diffusion from neighboring tissues.
Biomaterials reduce immune system effectiveness: Polymethylacrylate inhibits complement activation and phagocytosis, so it becomes infected more easily than orthopedic metals. Metal implants become infected in accordance with their cytotoxicity, from greater to lesser infection risk: stainless steel alloys, chrome-cobalt, and titanium.
Bacterial adherence and colonization of the implant surface: On the surface of a biomaterial, bacteria (infection) and host cells (tissue integration) compete to adhere. The victory of bacteria leads to multiplication and the formation of adhered colonies surrounded by extracapsular glucopolysaccharides. It is difficult for antibiotics and immune system components to penetrate this layer and the infection becomes chronic. Less biocompatible materials (less host-cell adherence) and more porous surfaces are more easily infected.
Intracellular bacteria: Staphylococci and other phagocyted pathogens can avoid lysis, subsisting in a vegetative state within macrophage phagosomes, protected from most antibiotics and immune system substances. These intracellular bacteria are responsible for maintaining the infection and for recurrences and periodic reactivations. To combat them, combinations of antibiotics with high penetration and intracellular activity must be used (rifampicin, quatrimoxazole, ofloxacin, ciprofloxacin, clindamycin, macrolides).
KEY WORDS: Infection. Implants. Prostheses.
La infección es uno de los grandes problemas de la cirugía de implantes por su incidencia y prevalencia, posibilidad de epidemias hospitalarias,40 gravedad clínica, secuelas, y, sobre todo, por la dificultad y coste69 del tratamiento: el doble que una revisión aséptica y 6 veces lo que una prótesis primaria.48 La profilaxis actual ha disminuido la frecuencia de infección (para todo tipo de implantes) hasta un valor promedio del 2,3% (0,38% - 10%), pero el número de implantes utilizado anualmente es muy elevado, por lo que el número de casos infectados es alto.
Gracias a los antibióticos se ha conseguido ir curando la mayoría de las infecciones bacterianas. Pero las infecciones de los implantes no se curan simplemente con antibióticos. A lo largo de los últimos 40 años se han desarrollado investigaciones e hipótesis explicativas, parcialmente confirmadas en la práctica clínica. Muchas siguen teniendo vigencia y las más modernas no excluyen a las más antiguas.
Los antibióticos no llegan a los implantes
La primera explicación es simple: los implantes no están vascularizados, por lo que sólo les llegan los antibióticos y componentes del sistema inmune por difusión desde los tejidos próximos. En algunas zonas incluso este mecanismo es insuficiente, como ocurre en las interfaces de componentes modulares y en las formas geométricas ocultas. Este principio también es aplicable al hueso con osteomielitis crónica, puesto que está necrótico y carece de vascularización.
Los biomateriales disminuyen la eficacia del sistema inmune
Los biomateriales implantados están rodeados por una zona fibro-inflamatoria inmuno-incompetente. Los macrófagos locales están sobrecargados por detritus del implante, produciendo gran cantidad de mediadores tales como los radicales superóxidos, el TNF («tumour necrosis factor»), los interferones y las citoquinas; dichos mediadores multiplican la respuesta inflamatoria, aumentando el daño tisular y en consecuencia la zona inmuno-incompetente, lo que genera más osteolisis que a su vez produce mayor liberación de detritus proteicos, y de este modo se cierra el círculo vicioso.14,24,34
PMMA (polimetilmetacrilato)
El efecto nocivo de los implantes sobre el sistema inmune fue valorado a lo largo de los años 70 y 80 en diferentes experimentos. Petty57,58 demostró que el metilmetacrilato inhibe la activación del complemento y disminuye la movilidad de los polimorfonucleares, la fagocitosis y la lisis bacteriana intracelular; sin embargo no disminuye la actividad quimiotáctica de los productos bacterianos ni la del complemento activado. Más adelante Petty y cols.59 compararon, mediante un modelo experimental en perros, el riesgo de infección de diferentes biomateriales de uso ortopédico. Llegaron a la conclusión de que el PMMA (polimetilmetacrilato) se infectaba más fácilmente con Staphylococcus epidermidis (S. epidermidis) y con Escherichia coli (E. coli) que el SS («stainless steel», acero inoxidable), el CrCo (cromo-cobalto-molibdeno) y el PE (polietileno), lo cual podría explicarse por el efecto deletéreo que el PMMA tiene sobre el sistema inmune. De los materiales ensayados, el CrCo era el más difícil de infectar, seguido por el SS y el PE, que se situaban en un riesgo intermedio. En otros modelos experimentales se ha demostrado la mayor facilidad de infección del PMMA en comparación con el TiAlVn (titanio-aluminio-vanadio) y el CrCo:10,11 con inóculos locales de Staphylococcus aureus (S. aureus) fagotipo 94/96 inyectados tras fresado de la cavidad medular femoral, los implantes de PMMA se infectan con inóculos 4,5 veces menores que los implantes de CrCo o de TiAlVn.
Metales
Los implantes fabricados con metales citotóxicos provocan más daños en el sistema inmune, siendo más fácilmente infectados que los metales más biocompatibles. Se ha demostrado como, en macrófagos de ratón, las partículas metálicas de cobalto y níquel lesionan la pared celular y disminuyen la fagocitosis. Por el contrario, las partículas de titanio, de cromo y de molibdeno no producen este efecto lesivo sobre los macrófagos.63 Asimismo se ha demostrado en experimentos animales que el SS («stainless steel», acero inoxidable) (con gran cantidad de níquel en su composición) se infecta más fácilmente que el CrCo,59 y que el CrCo se infecta más fácilmente que el Ti (titanio).9,10
Adhesión y colonización bacteriana de la superficie de los implantes
Aprendiendo de la microbiología ambiental e industrial
La adhesión y la colonización de los substratos es una característica fundamental de la mayoría de las bacterias y su estado habitual en la Naturaleza. Esta colonización la realizan en forma de película bacteriana («biofilm» o «slime»).27,28 Se llama película bacteriana al conjunto de las bacterias adheridas (de la misma o diferentes especies) y las microcolonias formadas por ellas, sus exopolisacáridos, y los productos procedentes del substrato y del medio. En la microbiología industrial la adherencia y colonización bacteriana de superficies inertes son conocidas desde la primera mitad del siglo (recubrimiento de superficies metálicas de sistemas marinos sumergidos, contaminación de las paredes de los depósitos en las industrias de fermentación --fabricación de vino, de cerveza, de pan, de vinagre--, colonización de paredes de tanques de fabricación de antibióticos). Por tanto, no es de extrañar que los primeros trabajos de Gristina,29,30 uno de los autores más prolíficos en infección de biomateriales, tengan como coautor a Costerton, un investigador clásico en adherencia y colonización bacteriana en microbiología industrial.
Hipótesis sobre adhesión, colonización e infección de superficies
Gristina afirma que en las infecciones de los biomateriales juegan un papel fundamental la adhesión y colonización de su superficie por las bacterias, produciendo una infección en un cuerpo extraño que no puede ser erradicada por los antibióticos o por las defensas del huésped hasta que se retira el material extraño.27,28 Para que esta infección tenga lugar ha de existir una contaminación bacteriana por conocidos patógenos (S. aureus) o microorganismos oportunistas (S. epidermidis). Estas bacterias se adhieren y colonizan el biomaterial formando una película bacteriana: en esta situación, adquieren un nuevo potencial patógeno.
Nada más introducir un biomaterial en el organismo queda recubierto por macromoléculas y restos celulares derivados del medio.27,28,29,31 Estos elementos constituyen la llamada capa condicionante glicoproteinácea. La adsorción y composición de esta capa son muy selectivas y dependen de las propiedades de la superficie del material (estructura molecular, energía libre de superficie, limpieza), de los constituyentes del medio que lo rodea, de los tipos celulares que intervienen,27,28 y de las afinidades mutuas de adsorción y deposición. Así, las superficies recubiertas de siliconas o de estearato presentan baja energía de superficie (escasa adhesividad, por eso se utilizan para fabricar catéteres intravenosos), mientras que el SS tratado, el CrCo o el Ti presentan una alta energía de superficie y por tanto una alta adhesividad. Las superficies metálicas limpias, especialmente las de CrCo y las de Ti, son resistentes a la corrosión en virtud de su composición química, su homogeneidad y las capas de pasivación que se forman en su superficie,bien espontáneamente o bien mediante tratamiento con ácido nítrico. Esta capa de óxido es la que reacciona con las glicoproteínas de la capa condicionante. Esta capa está constituida habitualmente por fibronectina, osteonectina, vitronectina, fibrinógeno, colágeno, laminina, elastina, fibrina, trombina, factor de von Willebrand, hemaglutininas, trombospondina, sialoproteína ósea, la llamada «proteína extracelular de adhesión de amplio espectro», y otras proteínas, así como por restos de plaquetas y otras células.15,22,37,65 Esta capa glicoproteinácea proporciona los receptores necesarios para la adherencia tisular o bacteriana mediante grados variables de integración físico-química.
Según la hipótesis de Gristina, basada en buena medida en la aplicación directa de conocimientos de la microbiología ambiental e industrial, el proceso de colonización se desarrolla a lo largo de tres etapas.27,28 Inicialmente las bacterias se hallan en fase planctónica, libres en el medio líquido,48 procedentes de la contaminación directa durante la cirugía, tras propagación por contigüidad, o por siembra hematógena. Aleatoriamente llegan hasta las proximidades del biomaterial. La superficie de la bacteria suele estar cargada negativamente, y la de los implantes metálicos también, por lo que se produce una repulsión electrostática entre ambos. Algunos materiales como los bloques de hidroxiapatita (no adherida a metales) presentan una superficie cargada positivamente, que favorece la adhesión por atracción electrostática, por lo que su riesgo de infección es elevado. Ocasionalmente entran en acción las fuerzas de atracción hidrofóbica, que aproximan la bacteria hasta el primer mínimo de las fuerzas de Van der Waals (2 a 3 nm), actuando éstas hasta situar la bacteria a menos de 1 nm. Hasta aquí el proceso es denominado adhesión reversible no específica, mantenida por enlaces de clase 1.24 A partir de este momento se inicia la adhesión irreversible mediante procesos de enlace químico, tiempo-dependientes.48 Estos enlaces pueden ser de clase 2 ó 3.24 Los de clase 2, inespecíficos, pueden ser covalentes polares o enlaces de hidrógeno que se establecen sobre átomos libres de la superficie del material o sobre proteínas de la cubierta proteica. Los de clase 3 son específicos, y están basados en enlaces molécula-ligando/receptor, en interacciones adhesina-receptor (adhesina proteica del medio adherida al substrato, y receptor bacteriano) y en síntesis de exopolisacáridos bacterianos; estos últimos se unen a las glicoproteínas que recubren el material (derivadas del medio).
De todas las existentes en la matriz extracelular la fibronectina es la proteína más activa en el proceso de adhesión bacteriana.15 Diferentes cepas de Staphylococci (aureus, epidermidis, Hyicus), productoras o no de glicocálix, exhiben su máxima adhesividad sobre discos de PMMA recubiertos de fibronectina, en comparación con otras proteínas (albúmina, laminina) o con discos sin recubrir.37 El receptor para fibronectina de la pared de los estafilococos se ha conseguido aislar,60,61 interviniendo en la adhesión sobre polímeros y metales (SS, Ti, TiAlNb [titanio-aluminio-niobio]), tanto cuando se implantan en tejido subcutáneo como cuando se implantan en hueso. La adhesión disminuye en gran medida cuando se tratan previamente los implantes con anticuerpos anti-fibronectina o cuando los Staphylococci inoculados son genéticamente defectivos en la producción del receptor específico.22
El fibrinógeno también es una proteína importante en la adhesión de algunas bacterias. Así, sobre discos de PMMA recubiertos de fibrinógeno, los S. aureus y algunos S. epidermidis se adhieren tan intensamente como lo hacen sobre recubrimientos de fibronectina.15,22,29,37 El recubrimiento con laminina aumenta la adhesividad en menor grado.37 El recubrimiento con albúmina de discos de PMMA y de Ti disminuye la adhesividad bacteriana y el riesgo de infección respecto a discos sin recubrir.37,79
El factor de von Willebrand (glicoproteína multimérica de gran tamaño, esencial para la adhesión de las plaquetas al subendotelio vascular en zonas de gran flujo y velocidad sanguínea) es importante en la adhesión de S. aureus a los endotelios (patogenia de las endocarditis y de las osteomielitis hematógenas) y a otras superficies como el PMMA.36 Las hemaglutininas (polisacáridos que unen la bacteria a las paredes de 2 hematíes, acumulándolos y formando con ellos aglutinaciones) también son importantes en la adhesión de S. epidermidis a los biomateriales.9
Las superficies metálicas producen un efecto catalizador de las reacciones químicas, acelerándolas, al aumentar la energía cinética de las moléculas en contacto por transferencia de energía térmica desde las redes cristalinas del metal. Este efecto acelerador de las reacciones químicas podría ser responsable del aumento de actividad celular y de síntesis que se produce en las bacterias nada más adherirse, iniciando la síntesis de polisacáridos y el crecimiento y multiplicación bacterianos. También los polímeros producen un efecto catalizador en su interfaz de estructura mixta de esferulitas cristalinas y zonas amorfas; asimismo se especula si los polímeros bacterianos podrían interaccionar con los del biomaterial, interviniendo los iones metálicos en la creación de estructuras tridimensionales a partir de cadenas lineales. Las bacterias adheridas, por tanto, forman exopolisacáridos, crecen y se multiplican.
Nada más implantar un biomaterial, sus zonas de alta energía de superficie están «esperando» ser satisfechas por los primeros colonizadores disponibles, bien sean bacterias o células tisulares. Si los primeros colonizadores son células tisulares y se establece un anclaje firme, las bacterias que puedan llegar se han de enfrentar a una superficie resistente a la infección en virtud de la viabilidad de las células tisulares, de sus membranas celulares intactas, de sus polisacáridos de superficie y de sus mecanismos inmunes operativos. Si, además, la adhesión de células tisulares se produce directamente sobre la superficie del material (integración tisular, llamada osteointegración en el tejido óseo), el grado de protección frente al ataque bacteriano será aún mayor. Pero si los primeros colonizadores son bacterias y se adhieren a la superficie del biomaterial, se produce la infección del implante en lugar de su integración tisular. Una vez producida la adhesión bacteriana es poco probable que las células tisulares sean capaces de desplazar a estos primeros colonizadores. A esta competición entre las bacterias y las células tisulares por adherirse al biomaterial la llama Gristina «la carrera por la superficie».28,29,31
Si en esta «carrera por la superficie» logra adherirse al material una primera capa bacteriana, a ella se le seguirán uniendo bacterias mediante anclajes entre sus respectivos exopolisacáridos, produciendo el fenómeno de agregación bacteriana. Tanto la primera capa de bacterias adheridas como las siguientes de bacterias agregadas se multiplican formando microcolonias, las cuales, al extenderse, constituirán películas bacterianas, siempre y cuando el resto de los factores ambientales (temperatura, nutrientes, antagonistas, balance iónico) sean propicios. Otros factores influyen en el establecimiento de la película bacteriana: los diagramas de flujo de fluidos, el pH, la configuración química y geométrica de la superficie del substrato, las tensiones superficiales y los residuos del medio glicoproteináceo.
Colonización de la superficie del implante: producción de glicocálix, nutrición bacteriana y defensa frente al sistema inmune
Las proteínas de la pared del S. aureus8 «asoman» al exterior y son distintas según las cepas, al igual que su glicocálix o capa externa de exopolisacáridos.75 Las cepas del S. epidermidis se dividen en 3 tipos: altas, medias y bajas productoras de glicocálix; esta propiedad es una característica bacteriana constante.75 La composición química de los exopolisacáridos es variable según las especies; en una de las más estudiadas, el S. epidermidis, está formado por diversos polisacáridos de alto y bajo peso molecular, lineales y ramificados, compuestos por monosacáridos neutros, aminoazúcares y ácido siálico. La estabilidad de los polisacáridos depende de la disponibilidad de iones Ca y Mg. Los plásmidos (mecanismo más frecuente de resistencia a antibióticos) son transferibles de unas cepas a otras67,68 e intervienen en transferencias de propiedades de adherencia.19
Van Pett y cols. han publicado77 un método con timidina tritiada y con glucosa-carbono-14 para medir la producción bacteriana de glicocálix: su proporción relativa (H-3:C-14) nos indicará el número de bacterias adheridas y si producen glicocálix (relación 1:0,9) o no (relación 3,7:1). De 2 cepas de S. epidermidis las poco productoras alcanzan su máxima adherencia en 24 horas, mientras que las muy productoras aumentan su adhesión y producción de glicocálix con el tiempo.44 Las cifras de adhesión y producción son una propiedad estable de cada cepa.75
En la película bacteriana se forma un «microentorno» que protege a las bacterias de sus posibles antagonistas y de las defensas del huésped.27,28 Este microentorno incluso puede desarrollar sus propias cualidades climáticas, tales como pH, iones, nutrientes, toxinas, y colaborar, a través de sus polisacáridos, a la cohesión entre colonias. Para las bacterias cercanas al implante es vital la utilización de los metabolitos, moléculas o iones del biomaterial, mientras que las capas externas de bacterias utilizan los factores ambientales; las capas medias dependen de las moléculas difundidas desde el material y desde el entorno exterior, así como de los metabolitos producidos por las capas más profundas. Los estudios con microscopio electrónico demuestran diferencias según las bacterias: así, mientras los S. epidermidis aparecen adheridos directamente al material y los exopolisacáridos sólo intervienen en la agregación inter-bacteriana, las Pseudomona sp. muestran abundantes polisacáridos entre las bacterias y el biomaterial.
Los exopolisacáridos favorecen la nutrición bacteriana actuando como resinas de intercambio iónico. Los polisacáridos de la película bacteriana también atrapan los iones metálicos,27,28 muchos de ellos procedentes de la corrosión del biomaterial, evitando su captación por las proteínas plasmáticas (lactoferrina, transferrina); éstas habitualmente bajan las concentraciones de iones a niveles inferiores a los requeridos por las bacterias. Además, los iones Ca y Mg estabilizan los polisacáridos en forma de gel, favoreciendo la adhesión y agregación bacteriana.
Los exopolisacáridos formados por las bacterias cumplen múltiples funciones defensivas: inhibición de la actividad del sistema inmune,48 disminución de la activación del complemento, disminución de la susceptibilidad a los anticuerpos, disminución de la fagocitosis, y disminución de la eficacia de los antibióticos. La resistencia de las bacterias adheridas frente a los antibióticos y frente al sistema inmune parece explicarse, según Gristina,31 porque la bacteria adherida, envuelta o no en glicocálix, parece sufrir cambios fenotípicos todavía poco explicados. Así, el S. epidermidis envuelto en glicocálix inhibe tanto la blastogénesis de los linfocitos T y B como la quimiotaxis de los polinucleares y la opsonización. Gristina30,31 concluye que la adherencia microbiana, el recubrimiento por glicocálix y la formación de la película bacteriana son factores fundamentales tanto en la infección de biomateriales y tejidos comprometidos, como en la elevada susceptibilidad a la infección de los implantes ortopédicos, y la resistencia de dichas infecciones a las defensas del huésped y a las terapéuticas antibacterianas.
Demostración de la adhesión bacteriana en la infección de implantes
La primera demostración directa de estas hipótesis fue aportada por Gristina en 198530 al describir los hallazgos de la microscopía electrónica de transmisión y de barrido en tejidos y biomateriales de 25 pacientes a los que se habían retirado implantes artificiales por complicaciones sépticas (6 prótesis totales de cadera, 1 prótesis de rodilla, 10 osteosíntesis, 3 sondas de Foley, 3 injertos vasculares, 1 prótesis mamaria y 1 tubo de Kerr). En el 76% se demostró que las bacterias causantes crecían en capas cubiertas de glicocálix (películas bacterianas) adheridas a la superficie de los biomateriales y de los tejidos. Las imágenes de la microscopía demostraban cómo las bacterias crecían formando microcolonias coherentes envueltas en una matriz gelatinosa, formando extensas películas bacterianas adherentes. De los 17 implantes ortopédicos, 10 presentaban bacterias adherentes envueltas en glicocálix, y uno de ellos, bacterias sin glicocálix. También analizaron 3 casos en los que se habían retirado los implantes por complicaciones no sépticas; en ninguno de los 3 casos obtuvieron cultivos positivos ni observaron bacterias. Frecuentemente el análisis microbiológico convencional demostraba sólo una especie en lo que era una colonización polimicrobiana: debido al modo adherente de crecimiento de los gérmenes, la obtención de muestras microbiológicas correctas es muy difícil. Decidieron aplicar métodos cuantitativos directos para obtención de muestras, adaptados de la microbiología ambiental; con estas técnicas se obtienen gran número de especies, pero la comparación con la microscopía electrónica indicaba que en algunos casos todavía seguían sin recuperarse todos los componentes bacterianos de la película bacteriana. Posteriormente se ha demostrado, también mediante microscopía electrónica de barrido y técnicas especiales de fijación y tinción,20 que el glicocálix bacteriano es una estructura altamente hidratada (99% de contenido en agua), mucho más extensa y expandida que lo apreciado con métodos de preparación microscópica basados en la deshidratación. Tras ésta, el glicocálix parece una estructura fibrilar de poco volumen.
Southwood y cols.73 demostraron experimentalmente la importancia de la inoculación bacteriana local. En un modelo en conejos de hemiartroplastia cementada de cadera conseguían infecciones profundas en la mitad de los casos con inóculos locales de 10-15 bacterias. Si el inóculo lo realizaban por vía hematógena en el momento de la cirugía, necesitaban aproximadamente 100.000 bacterias, y si lo inyectaban por vía intravenosa 3 semanas después de la intervención, la dosis media ascendía hasta 380.000 bacterias.
La relación entre adhesión e infección también se ha demostrado7 mediante la correlación estadística existente entre el número de S. epidermidis adheridos in vitro a un material, y el riesgo de infección in vivo de este material cuando se inoculan esas mismas cepas bacterianas; los materiales ensayados en este trabajo han sido el SS, el PMMA, el Ti y el PMMA con gentamicina.
Uno de los exopolisacáridos bacterianos, el PS/A (polisacárido capsular/adhesina), ha sido estudiado extensamente,72 demostrando que las cepas mutantes no productoras de PS/A carecen de capacidad patogénica (endocarditis) y no son capaces de formar glicocálix. El PS/A y/o todo el glicocálix defienden mejor a las bacterias del efecto del suero humano y de los leucocitos, pues producen un descenso en la deposición de la fracción C3 del complemento, lo cual disminuye la opsonización, la fagocitosis y la activación de la cascada del complemento.35 Como hipótesis alternativa se baraja que el C3 se deposite bajo la cubierta de exopolisacáridos, dónde es inaccesible a los fagocitos.
Falcieri y cols.,21 en conejos de Indias, han implantado una «cajita» subcutánea de PMMA e inyectado en su interior S. aureus cepa Wood,46 demostrando que en pocas horas se producen exopolímeros, capsulares e intercelulares; el líquido del interior de la caja también induce la producción de exopolisacáridos (si los S. aureus se incuban en albúmina, se inhibe la producción); los exopolisacáridos presentan una influencia mínima en la susceptibilidad a la fagocitosis y en la capacidad de adhesión a fibronectina, pero el líquido del interior disminuye la fagocitosis. Herrman y cols.37 también han demostrado que los S. aureus adheridos a PMMA producen sustancias que disminuyen la fagocitosis, y avanzan dos hipótesis explicativas de los fenómenos habituales en la infección por S. aureus que, según sus resultados, no parecen poder explicarse por la influencia del glicocálix: primera, la cápsula y los exopolisacáridos del S. aureus podrían ser permeables a las inmunoglobulinas y a los factores de la cascada del complemento; y segunda, ¿habrá factores humorales no relacionados con los exopolisacáridos que aumenten la adherencia de los estafilococos a superficies y que disminuyan la capacidad de fagocitosis bacteriana de los neutrófilos?
En las infecciones por otros microorganismos, se ha demostrado que las proteasas de los neutrófilos digieren la fibronectina en fragmentos atrayentes para los monocitos, con lo que aumenta la adherencia de fagocitos, la quimioquinesis, la quimiotaxis y la adhesión bacteriana, activándose el complemento. De esta manera aumenta la fagocitosis de Staphylococci y Streptococci por monocitos, y de E. coli y Streptococci ayudada por opsonización previa. La infección viral disminuye la producción de fibronectina y, con ello, la adhesión celular.60 En lo relativo a los antibióticos, se ha demostrado que los S. epidermidis adheridos a PMMA son mucho más resistentes a las cefalosporinas.22 Arizono1 ha demostrado que S. epidermidis adheridos a discos de PMMA, formando glicocálix, son 20 veces más resistentes a la cefaloridina que cuando se hallan en suspensión. La vancomicina y la teicoplanina, al penetrar en la película bacteriana, se adhieren a alguno de los componentes del glicocálix, disminuyendo mucho su eficacia. La rifampicina, por el contrario, no se adhiere, mostrando mucha mayor actividad.38
Riesgo de infección de los diferentes biomateriales
Petty demostró cómo el SS se infecta más fácilmente que el CrCo,59 y Chang demostró que el SS se infecta más fácilmente que el Ti.7 Los implantes de CrCo son más fáciles de infectar que los de TiAlVn.9 El Ti es un material mucho más biocompatible que el CrCo, y una vez implantado, las células del huésped (osteoblastos) colonizan su superficie mucho más rápidamente que la del CrCo, protegiéndole antes de las bacterias. Es decir, las células tisulares ganan a las bacterias la «carrera por la superficie» más fácilmente sobre el Ti que sobre el CrCo. Los S. epidermidis presentan mayor adhesividad sobre los bloques de HAP (hidroxiapatita) que sobre los implantes de SS, Ti o Ti recubierto de HAP.1,34 La carga positiva de la superficie de la HAP atrae con mayor fuerza a las bacterias cargadas negativamente, y la HAP es un material bioactivo, que estimula la adhesión celular. La adhesión bacteriana, y por tanto el riesgo de infección, parecen tener una especificidad dependiente tanto del material como de la bacteria. Así, el S. aureus parece tener mayor tendencia a adherirse e infectar estructuras cristalinas (metales, hueso), mientras que el S. epidermidis presenta mayor adhesividad y riesgo de infección sobre los polímeros (PMMA).10,27,28,29,30,31 El PE, material semicristalino, se infecta por igual con ambas bacterias.34 Los S. epidermidis presentan mayor tendencia a adherirse a implantes de silicona (catéteres intravenosos) y los Bacteroides sp. mayor tendencia a adherirse a las superficies óseas.46,50
Aplicando el principio de «la carrera por la superficie» y los conocimientos actuales sobre osteointegración, Gristina31 afirma que el UHMWPE («ultra high molecular weight polyethylene», polietileno de ultra-alta densidad) y el PMMA estimulan, tras ser implantados, una envuelta fibro-inflamatoria, y las bacterias se adhieren con facilidad. Por el contrario, las aleaciones metálicas son más adecuadas para la osteointegración y las bacterias se adhieren con más dificultad. En consecuencia, aventura si en el futuro se llegarán a fabricar materiales con superficies «programadas» proadhesivas que realicen una adhesión específica a determinadas macromoléculas del medio interno y esto a su vez conduzca de manera predefinida a la adhesión a los tejidos del biomaterial, consiguiendo la osteointegración definitiva.
Influencia sobre la infección de la superficie del implante
En un modelo experimental en conejos con inoculación local de S. aureus tras fresado de la cavidad medular femoral se ha demostrado cómo los implantes intramedulares de Ti de superficie porosa (idéntica a la empleada en prótesis de cadera de humanos) se infectan con inóculos bacterianos 2,5 veces menores que implantes similares de superficie lisa. Cuando los implantes eran de CrCo de superficie porosa los inóculos bacterianos necesarios para conseguir una infección eran 40 veces menores que con los implantes de CrCo de superficie lisa y 15 veces menores que con los implantes de Ti de superficie porosa. Las bacterias se hallan en el medio líquido en que se introduce el implante mientras las células tisulares se encuentran en las paredes de la cavidad fresada, llegando las bacterias antes a las cavidades porosas. Los poros son rápidamente rellenados por colonias bacterianas cubiertas por glicocálix, formando extensas películas. Por tanto, las bacterias ganan a las células tisulares la «carrera por la superficie» más fácilmente sobre superficies porosas que sobre superficies lisas. El gran aumento de superficie que suponen las capas porosas y sus múltiples intersticios facilitan el mantenimiento de la infección y la dificultad de acceso de los antibióticos y de las defensas del huésped.9
Valorando la superficie macroscópica, se ha demostrado cómo los clavos intramedulares huecos y acanalados se infectan más fácilmente que los clavos macizos.52 En un clavo hueco las bacterias tienen el doble de superficie donde adherirse, y además el interior del clavo es una zona donde difícilmente llegan los tejidos sanos del huésped.
Adherencia bacteriana sobre biomateriales más antibióticos
Las asociaciones de un biomaterial con antibióticos pretenden obtener elevados niveles locales de antibióticos, hasta 232 mg/l con la tobramicina y 54 mg/l con la vancomicina, con mínima toxicidad sistémica.7 Han de emplearse antibióticos termoestables para resistir el calor desprendido por la polimerización del PMMA: tobramicina, vancomicina, ciprofloxacino. Tradicionalmente se utilizaba como portador el PMMA, pero últimamente se están ensayando diferentes sustancias biodegradables: yeso,13 HAP,12,71 fosfato cálcico, poliláctico y poliglicólico,6,25,39 polianhídridos,55 o colágeno. 51
Baker y Greenham3 valoran el cemento con gentamicina y llegan a la conclusión de que el PMMA, sin defectos en su estructura, es absolutamente impermeable a la gentamicina. Después demuestran la presencia de grietas, microcisternas y defectos en el espesor del PMMA en los cuales se aloja el antibiótico y a través de los cuales difunde al exterior. Se ha demostrado que el PMMA con gentamicina, incluso implantado en la medular de un hueso de cadáver, difunde antibiótico y éste llega a aparecer en la superficie externa del hueso. El mejor cemento para estas mezclas, por ser más poroso, es el Palacos.18,24,48 Los métodos que disminuyen la porosidad del cemento, como la mezcla en vacío o el centrifugado, disminuyen la liberación de antibióticos.
Southwood demostró,73 empleando su modelo descrito anteriormente, que usando PMMA con gentamicina necesitaba inóculos bacterianos 60 veces mayores. Oga56 ha demostrado, mediante microscopía electrónica de barrido, que el número de S. epidermidis SE-46 adheridos a discos de PMMA con tobramicina es menor (del orden de 14 a 97 veces) que el número de gérmenes similares adheridos a discos de PMMA sin antibiótico. También Lyons12 ha demostrado, tanto mediante microscopio electrónico de barrido como mediante cultivos microbiológicos, que las bacterias no se adhieren al PMMA con tobramicina; la adherencia se produce en las zonas del biomaterial recubiertas de material fibrinoso. En otro trabajo41 se demuestra, por el contrario, que si sumergimos discos de PMMA con antibióticos en una suspensión bacteriana, las bacterias van muriendo en el medio líquido, al que difunde el antibiótico, pero también muchas se van adhiriendo a la superficie del PMMA.
Chang y Merritt7 valoran la adherencia de Pseudomonas sp. o Proteus sp. sobre discos de PMMA, con o sin gentamicina, incubados previamente con S. epidermidis RP 62A. El número de gram negativos adheridos se encuentra, de mayor a menor, en: 1) discos esterilizados tras inoculación de S. epidermidis y después inoculados con Gram negativos; 2) discos incubados con S. epidermidis y después con Gram negativos; 3) discos incubados con Gram negativos; 4) discos con gentamicina incubados primero con S. epidermidis y después con Gram negativos; y 5) discos con gentamicina incubados exclusivamente con Gram negativos. Por tanto, para la infección por Gram negativos, tiene gran importancia la inoculación previa del cemento con Gram positivos. En un modelo experimental, los implantes de hidroxiapatita con gentamicina45 son los únicos que esterilizan los cultivos óseos, no siendo capaces de curar la infección los antibióticos sistémicos, el desbridamiento quirúrgico o el cemento con gentamicina.
Bacterias intracelulares
Crisis del modelo clásico de defensa inmune frente a los Staphylococci
Ante una invasión por Staphylococci, el sistema inmune inicia su actividad mediante reclutamiento de fagocitos. El reclutamiento de un adecuado número de leucocitos se produce mediante la quimiotaxis ejercida por la fracción C5a del complemento. Las células fagocíticas reconocen a los Staphylococci invasores tras ser opsonizados, y esta función la realiza la molécula C3b del complemento. La detección, adhesión, atrapamiento e ingestión de Staphylococci opsonizados se realiza mediante receptores de membrana del leucocito específicos para la opsonina C3b. Una vez fagocitadas, estas bacterias son rápidamente destruidas mediante mecanismos bactericidas oxígeno-dependientes y oxígeno-independientes.
Pues bien, a lo largo de los años 90 se han ido publicando diferentes trabajos que van más allá de esta descripción clásica y de los postulados de Gristina para explicar la resistencia bacteriana en la infección de implantes. Todas estas investigaciones de nuestra década se basan en un principio: las bacterias son capaces de permanecer vivas dentro de las células fagocitarias, lugar nada accesible a los anticuerpos del huésped y poco asequible a la acción de los antibióticos.
El trabajo de Drancourt y otras series clínicas apoyan las teorías sobre bacterias intracelulares
Un trabajo clínico, el ya clásico de Drancourt,17 citado por doquier, ha hecho reflexionar sobre el principio enunciado. Drancourt y cols. trataron 51 infecciones profundas estafilocócicas de implantes (21 prótesis de cadera, 13 de rodilla y 13 con material de osteosíntesis) con una pauta de rifampicina y ofloxacino a altas dosis por vía oral, 6 meses en PTC (prótesis total de cadera) y osteosíntesis y 9 meses en PTR (prótesis total de rodilla). Después de 5 meses de tratamiento recambiaron en 1 tiempo las PTC inestables y todas las PTR, y retiraron las osteosíntesis inestables. Tras un seguimiento medio de 24 meses, consiguen una tasa global de curación del 74% (81% en PTC y 69% en PTR y osteosíntesis), 62% si no se recambia la prótesis y 88% si se recambia. La gran eficacia del protocolo utilizado dependería de la alta penetración intracelular de los dos antibióticos empleados, la rifampicina y el ofloxacino. Tradicionalmente se ha considerado que la conservación de la prótesis mediante antibioterapia conduce frecuentemente al fracaso5,54 y sólo ha sido útil en la infección tuberculosa.42,43 Los autores contrarios a la antibioterapia aislada plantean si los efectos del tratamiento preconizado por Drancourt persistirán con el tiempo sin retirar la prótesis.5
Ya Southwood demostró en su modelo experimental de artroplastias en conejos, en 1987,73 elevadísimos niveles de protección frente a la infección con rifampicina intravenosa, en comparación con flucloxacilina o imipenem intravenosos o con cemento con gentamicina. Antes del estudio de Drancourt también se habían publicado buenos resultados en series muy cortas con la combinación de rifampicina y quinolonas.64 Recientemente han aparecido publicados otros trabajos confirmando los buenos resultados con estos protocolos de tratamiento.80 El propio Drancourt y su grupo han expandido su procedimiento terapéutico a otros antibióticos: con cuatrimoxazol a altas dosis durante 6 meses y recambio de los implantes inestables obtienen tasas de curación del 67%.74 En caso de bacterias resistentes a quinolonas, otros autores recomiendan combinar la rifampicina con uno de los nuevos macrólidos (azitromicina, claritromicina). Otros antibióticos con buena penetración intracelular son la clindamicina y el cuatrimoxazol.
Mecanismos de resistencia bacteriana intracelular
Las bacterias capaces de vida intracelular han ido desarrollando, a lo largo de la evolución, mecanismos adaptativos para defenderse del sistema inmune. Sus nichos de supervivencia incluyen el citoplasma, los endosomas, los lisosomas y algunos tipos de vesículas intracitoplásmicas.33 Durante la fagocitosis los macrófagos y los neutrófilos envuelven a las bacterias con una parte de su membrana plasmática, formando una nueva organela citoplásmica, el fagosoma. Este fagosoma después se fusiona con un lisosoma, formando un fagolisosoma en el que la bacteria es digerida enzimáticamente. Se ha demostrado recientemente que algunas bacterias de vida intracelular «reprograman» a los fagocitos para que los fagosomas no se unan a los lisosomas.32
Los mecanismos de resistencia bacteriana intracelular están siendo objeto de intenso estudio en los géneros Chlamydia, Legionella, Coxiella, Nocardia y Leishmania. En el género Legionella (agentes patógenos de muchas de las neumonías atípicas) se han demostrado o se sospechan los siguientes mecanismos de resistencia: inhibición de la fusión fagosoma-lisosoma, bloqueo del metabolismo oxidativo del polimorfonuclear, existencia de una fosfatasa bacteriana que bloquea la formación de segundos mensajeros intracelulares (AMPc) del fagocito, y fosforilización del fosfatidilinositol y de la tubulina disminuyendo en consecuencia la actividad fagocítica.16,70 La Coxiella burnetii (causante de la fiebre Q) está dotada con enzimas capaces de eliminar o evitar la formación de metabolitos oxidativos bactericidas.2 La Nocardia asteroides (responsable de infecciones pulmonares denominadas nocardiosis) inhibe la fusión fagosoma-lisosoma, neutraliza la acidez del fagolisosoma, y detoxifica los productos bactericidas del metabolismo oxidativo del fagocito.4 La Leishmania donovani (agente de la leishmaniasis, infección sistémica transmitida desde los perros por el mosquito Flebotomo) rebaja la capacidad respiratoria máxima del fagocito, inhibe la generación de radicales O2 y H2O2, y disminuye su propia susceptibilidad a los radicales H2O2.53
Las Mycobacteria sp. son englobadas en fagolisosomas por los macrófagos. Los linfocitos T policlonales primarios y los linfocitos T hibridomas liberan citokinas activadoras de los macrófagos, básicamente IFN-gamma (interferón gamma) y TNF-alfa («tumour necrosis factor»), y los fagolisosomas se acidifican y coalescen, bloqueando la actividad metabólica de la bacteria y matándola. Las Mycobacteria sp. se defienden estimulando la liberación de IL-6 desde los macrófagos infectados. La IL-6 bloquea la capacidad de respuesta de los linfocitos T.66 Las Salmonellas sp. presentan otro mecanismo peculiar: hacen que el fagosoma por el que se hallan envueltas en el interior de los macrófagos sólo se fusione con algunos lisosomas inmaduros, los cuales no contienen todas las enzimas lisosomales clásicas y no están incluidos en la ruta endocítica. De esta manera las Salmonellas sp. pueden seguir sobreviviendo dentro de complejos fagolisosómicos no agresivos.23
Vida intracelular de los Staphylococci
Proctor y cols.62 han demostrado que los largos períodos asintomáticos, las reactivaciones y las recidivas propios de las infecciones estafilocócicas se deben a bacterias intracelulares en situación vegetativa llamadas «small-colony variants» (SCV). Los estafilococos extracelulares típicos producen alfa-toxina (antes llamada alfa-hemolisina), una potente sustancia citotóxica; estas formas no podrían vivir en el interior celular. Cuando se enfrentan a medios hostiles (sistema inmune, antibióticos) los Staphylococci extracelulares se transforman en cepas SCV, variante fenotípica vegetativa idéntica genéticamente a las cepas normales. Los SCV se caracterizan por una alteración en los mecanismos oxidativos de la bacteria (sistema de transporte de electrones), presentando una actividad metabólica muy disminuida. Este metabolismo minimizado da lugar a un crecimiento y multiplicación bacterianos muy lentos, con lo cual se forman colonias pequeñas (SCV), se bloquea la producción de citotoxinas (pueden vivir en el interior celular, las colonias no son hemolíticas), y disponen de un sistema ineficaz de transporte de membrana, por lo que son menos susceptibles a los aminoglucósidos, pues la entrada de éstos se produce normalmente por pinocitosis, estando este medio de transporte activo a través de la membrana muy enlentecido.
Eficacia de los antibióticos frente a los Staphylococci intracelulares
La lisis celular de exudados de fístulas demuestra que los Staphylococci fagocitados pueden desarrollar facultativamente vida intracelular en el interior de los macrófagos, sobreviviendo a los antibióticos englobados en fagolisosomas con un pH muy ácido.49 Cuando la bacteria mantiene su vitalidad dentro de las células del huésped, los antibióticos pueden fracasar por tres motivos. El primero es la escasa penetración del antibiótico dentro del fagocito, mecanismo de resistencia típico frente a las penicilinas. Los aminoglucósidos, por el contrario, penetran lentamente por pinocitosis en el interior de las células, a lo largo de varios días, hasta alcanzar concentraciones 100 veces superiores a las extracelulares. Si los Staphylococci intracelulares han adoptado forma SCV, no obstante, el transporte activo de membrana es defectivo, y la pinocitosis será tan lenta e ineficaz que apenas alcanzarán aminoglucósidos a las bacterias. El segundo mecanismo de resistencia frente a antibióticos se basa en que la gran acidez de los fagolisosomas disminuye la actividad metabólica bacteriana, disminuyendo su susceptibilidad a los antibióticos (pues la mayoría actúan bloqueando algún paso reproductivo o metabólico). El tercer mecanismo es la inactivación del antibiótico por la acidez de los fagolisosomas, recuperando su efectividad si se alcalinizan las células (y por tanto, sus fagolisosomas) con cloruro amónico, y siendo tanto más eficaz cuanto más alto sea el pH.49 Este mecanismo ha sido demostrado con la amikacina para el S. aureus, y con la doxiciclina y el pefloxacino para la Coxiella burnetii. La gran eficacia de la rifampicina en este tipo de infecciones podría deberse, según estos autores,49 a que este antibiótico trabaja en medio ácido, con lo cual el fagolisosoma de pH bajo es su medio ideal.
Se recomiendan las combinaciones de rifampicina, fluoroquinolonas, clindamicina y/o cuatrimoxazol, debido a su elevado transporte intracelular y a su gran actividad en el interior de los fagocitos. Las fluoroquinolonas y los macrólidos incluso se acumulan en los fagocitos, tanto en los lisosomas como en el citoplasma.76 No obstante, la capacidad de algunos antibióticos de concentrarse en el interior de los fagocitos no se correlaciona exactamente con su habilidad para eliminar a los S. aureus intracelulares. La rifampicina y el ciprofloxacino han demostrado ser los agentes antibacterianos más eficaces, mientras que la clindamicina y la eritromicina no han demostrado su actividad en ensayos in vitro. En modelos animales, la rifampicina ha demostrado ser el más potente, pero también la clindamicina es eficaz en abscesos subcutáneos, disminuyendo rápidamente el número de bacterias intracelulares. En estos modelos animales el ciprofloxacino no es eficaz.78
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