Oportunidades para los aditivos fitogénicos para alimentos balanceados en la producción animal sin antibióticos

 

 

plants growing in laboratory

© Delacon: Aditivos fitogénicos para alimentos balanceados en la producción animal sin antibióticos

 
 

 

En la agricultura moderna, los antibióticos se han usado de forma habitual como promotores del crecimiento (aplicación profiláctica a largo plazo de antibióticos en dosis subterapéuticas) en la alimentación animal. Por consiguiente, la difusión de la aplicación de antibióticos promotores del crecimiento ha contribuido en gran medida a la proliferación de bacterias resistentes a los antibióticos (Laxminarayan et al., 2015). Esta simple situación se encuentra con dos condiciones globales totalmente distintas: por una parte, en los países industrializados está aumentando la demanda de alimentos sanos. Igualmente, en las sociedades occidentales la esperanza de vida sigue en aumento y con ella el número de personas ancianas, inmunodeprimidas y hospitalizadas. Estas personas son más susceptibles a las infecciones crónicas, muchas de las cuales son provocadas por la Escherichia coli, la Pseudomonas aeruginosa y el Staphylococcus aureus. Por otra parte, en los países en vías de desarrollo, está aumentando exponencialmente la demanda de alimentos de origen animal, lo cual refleja la mejora del nivel de vida y del poder adquisitivo local. No obstante, en ambas partes del mundo, el control del desarrollo posterior de las bacterias multirresistentes y la protección de la salud de los consumidores representan un importante problema sanitario (Givskov, 2012). Actualmente, solo existe una prohibición total del uso de los antibióticos como promotores del crecimiento en la Unión Europa y en Corea del Sur. En Australia, Nueva Zelanda y México está prohibido emplear algunos de estos antibióticos, pero la prohibición está lejos de afectar a todos ellos. EE.UU. y Canadá informan la retirada de los antibióticos relevantes para el tratamiento de enfermedades bacterianas humanas para principios del 2017. No obstante, también se puede observar en otros países del mundo una tendencia a recrudecer la regla sobre el uso de antibióticos en alimentos para animales (Laxminarayan et al., 2015).

 

La era posterior al uso de los antibióticos en la alimentación animal se asocia a dos riesgos importantes:

  • Una pérdida inminente de productividad
  • Un aumento momentáneo e impredecible de las infecciones bacterianas intestinales y sistémicas

 

La prohibición del uso de antibióticos en alimento para animales como promotores del crecimiento ha acelerado la investigación en substancias alternativas. Las sustancias fitogénicas, como las hierbas del suelo y las especias, o los preparados —como los aceites esenciales, los extractos o las oleorresinas—, contienen una infinidad de metabolitos secundarios de las plantas muy activos, siendo capaces de ejercer una gran variedad de efectos terapéuticos, incluidos efectos antibacterianos.
Este artículo analiza brevemente el modo de acción de los antibióticos y evalúa el potencial de las substancias fitogénicas en el marco de su tratamiento en la producción ganadera libre de antibióticos.

 

Modos de acción antibacterianos de los antibióticos y de las substancias fitogénicas

 

La principal ventaja de los antibióticos es que matan las bacterias sensibles mediante mecanismos específicos, resumidos en la Imagen 1. Una de las maneras en que los antibióticos pueden matar las bacterias consiste en la inhibición de la síntesis del peptidoglicano de la pared celular bacteriana. Otras importantes clases de antibióticos, a saber, las tetraciclinas y los macrólidos, inhiben el crecimiento bacteriano mediante la inhibición de la biosíntesis de las proteínas bacterianas en la subunidad 30S del ribosoma o la subunidad 50S del ribosoma, respectivamente. Otros dos importantes modos de acción son la inhibición de la topoisomerasa del AND o la polimerasa del ARN, que inhabilitan la síntesis del ADN o del ARN, respectivamente Y por último, pero por ello no menos importante, la inhibición de la síntesis del ácido fólico reducirá la enumeración bacteriana, dado que el ácido fólico es fundamental para el crecimiento bacteriano. Las bacterias pueden desarrollar mecanismos de resistencia frente a todos los puntos claves de la acción de los antibióticos, un riesgo que aumenta con el uso ya comentado de antibióticos para la promoción del crecimiento (Apotheken Umschau 2013, Blair et al. 2015).

Imagen 1. Mecanismos dañinos de diferentes clases de antibióticos hacia las bacterias

 
 

Con respecto a los efectos bactericidas de las sustancias fitogénicas, con frecuencia se ha sostenido que los aceites esenciales pueden penetrar o dañar la pared celular bacteriana y la membrana celular. Una vez que las bacterias están en el interior, se da por hecho que los aceites esenciales provocan la coagulación de las proteínas citosólicas y la descarga de los compuestos intracelulares esenciales y gracias a esto permite la destrucción de las bacterias (véase la Imagen 2).

 

Por definición, el término «concentración inhibitoria mínima» (CIM) representa la menor concentración de un compuesto capaz de inhibir el crecimiento bacteriano en más de un 90 % (Mann y Markham, 1997). La «concentración bactericida mínima» (CBM) llega a equivaler a una reducción en más de un 99 % de la viabilidad de las bacterias. La tabla 1 presenta un resumen de las concentraciones inhibitorias mínimas (CIM) de aceites esenciales y compuestos de aceites esenciales seleccionados relativas a varios microorganismos (elaborado a partir de datos de Burt et al. 2004). Considerando un efecto de dilución adicional del alimento para animales en el intestino, las concentraciones inhibitorias mínimas (CIM) muestran indicios de que los efectos auténticamente bactericidas de los compuestos fitogénicos sobre el animal no pueden obtenerse con los aditivos fitogénicos, salvo que se usen en concentraciones muy elevadas. Por tanto, resulta evidente que la aplicación integrada en los alimentos de sustancias fitogénicas en cantidades que ejerzan efectos antibacterianos directos o incluso bacteriostáticos no es económicamente viable ni sería aceptada en términos sensoriales por los animales.

 

No obstante, se ha demostrado que las substancias fitogénicas reducen claramente la patogenicidad de las bacterias en el tracto intestinal.

Imagen 2. Aparente mecanismo antibacteriano de los aceites esenciales

 

La sensación del quórum bacteriano y los efectos inhibidores de la sensación del quórum de los aditivos fitogénicos

 

Tal como se muestra arriba, la mayoría de productos antimicrobianos tiene por objeto un número limitado de procesos basales de la vida de las bacterias, como la replicación del ADN y del ARN, la biosíntesis de las proteínas y la síntesis de la pared celular. Estas eran las únicas «oportunidades fáciles» para los métodos tradicionales de descubrimiento de antibióticos. Las perspectivas de una futura era posterior a los antibióticos hacen necesarios nuevos objetivos y planteamientos innovadores respecto al control y el tratamiento de las enfermedades infecciosas. Un tema emergente en este asunto son los sistemas de regulación bacteriana, especialmente el de sensación del quórum (quorum sensing, QS). En muchas bacterias, la expresión de los genes asociados a la virulencia y la protección contra (o la resistencia a) las células fagocíticas del sistema inmunitario intrínseco en biofilms ya formados se controla mediante la sensación del quórum. Las señales de sensación del quórum son manejadas por moléculas químicas transductoras de señales, denominadas autoinductores (AI). Tanto el tipo de AI como los receptores intrabacterianos varían de unos tipos de bacterias a otras. Mientras que las bacterias gram negativas producen acil-homoserina lactonas como AI, las bacterias gram positivas usan principalmente péptidos de cadena corta para la regulación de la percepción del quórum (Imágenes 3 y 4). Por consiguiente, en las bacterias gram negativas, los receptores del tipo LUXR/I gestionan los cambios inducidos por las acil-homoserina lactonas en la expresión génica, mientras que las bacterias gram positivas poseen sistemas de transducción de señales más complejos y dependientes de la quinasa para regular su expresión génica relativa a la sensación del quórum. El sistema luxS/AI-2 se usa para la comunicación entre especies y el sistema AI3/epinefrina/norepinefrina, que se desencadena por el estrés en el organismo del anfitrión y gestiona la comunicación entre reinos (Reading y Sperandio, 2005).

Tabla 1. Concentraciones inhibitorias mínimas de distintos aceites esenciales en relación con distintas bacterias (según Burt 2004).

 
 

Con respecto a las bacterias patógenas relevantes para la ganadería, se han descrito ampliamente los sistemas de sensación del quórum para numerosas cepas de E. coli, Salmonella y Clostridia. Para la Escherichia coli enterohemorrágica (EHEC), la producción de toxinas Shiga y la formación de lesiones intestinales constituyen mecanismos de virulencia controlados mediante la sensación del quórum. La sensación del quórum bacteriano en las bacterias mencionadas también se desencadena mediante la liberación de hormonas del estrés por el organismo anfitrión debido a la infección bacteriana.

 

Un aspecto importante estudiado en muchas publicaciones sobre substancias fitogénicas y sensación del quórum es su efecto sobre la formación de biofilms. El desarrollo de un biofilm estable representa el primer proceso dependiente de la sensación del quórum dentro de una infección en la mayoría de bacterias patógenas. Las substancias fitogénicas, como los aceites esenciales, tienen la capacidad de contrarrestar la formación de biofilms mediante una inhibición de la sensación del quórum. Por tanto, estos compuestos fitogénicos son eficaces para perturbar la adhesión de los patógenos en sus anfitriones potenciales, incluso en concentraciones en las que ni se inhibe su crecimiento bacteriano ni se puede producir un efecto antibactericida. Girennavar et al. (2008), por ejemplo, demostraron los efectos inhibidores del jugo de toronja y las furocumarinas de la toronja aisladas para la formación de biofilms sobre el E. coli y la Salmonella typhimurium. De forma similar, el ácido ursólico purificado extraído de plantas mostró un fuerte efecto inhibidor sobre la formación de los biofilms de una cepa de E. coli (Ren et al., 2005), que se controla mediante el AI-2 en esa bacteria (Gonzáles Barrios et al., 2006).

Imagen 3. Percepción del quórum en bacterias gram negativas mediante derivados de N-acil-homoserina lactona como moléculas autoinductoras (AI)

 
 

Lee et al. (2014) ofrecieron otro ejemplo de la interferencia de las substancias fitogénicas con la producción de factores de virulencia sin afectar al crecimiento bacteriano. En este estudio se determinaron los efectos de distintas cumarinas sobre la concentración inhibidora mínima (CIM), la formación de biofilms y genes relacionados con la virulencia del E. coli O157:H7. Los valores de la CIM de la cumarina, la umbeliferona y la esculetina contra esta cepa eran superiores al 200 µg/ml. La incubación del E. coli con 50 µg/ml de las substancias ya mencionadas redujo la biomasa de los biofilms después de 24 horas en un 90 %, un 80 % y un 35 %, respectivamente. Como dato interesante, la esculetina mostró una disminución de la toxina Shiga como el gen stx2. A pesar de ejercer un mayor impacto sobre la formación de biofilms en comparación con la esculetina, la cumarina y la umbeliferona no provocaron una disminución del stx2. También se determinó en varios otros estudios el efecto de los extractos vegetales o de sus compuestos activos sobre los genes asociados a la virulencia o la producción de toxinas (véase la Tabla 2).

 

La importancia in vivo de la inhibición de la sensación del quórum puede demostrarse usando el Caenorhabditis elegans como el organismo modelo. En el estudio de Lee et al. (2014) se demostró que la adición de 50 µg/ml o 100 µg/ml de esculetina a un medio de cultivo con C. elegans infectado por E. coli O157:H7 reducía la virulencia del patógeno y aumentaba la duración de la vida del C. elegans. Asimismo se realizaron observaciones similares en relación con un cultivo de C. elegans infectado por E. coli O157:H7 en un medio de cultivo que contenía entre un 0 % y un 0.5 % de extracto de brócoli (Lee et al., 2011). La adición del extracto de brócoli aumentó la tasa de supervivencia del C. elegans hasta el 28.5 % en comparación con el grupo de control que no recibió el tratamiento.

Imagen 4. Percepción del quórum en bacterias gram positivas mediante moléculas de péptidos de cadena corta como moléculas autoinductoras (AI)

 
 

En resumen, una gran cantidad de estudios demuestra el efecto de las substancias fitogénicas contra los factores de virulencia regulados por la sensación del quórum de las bacterias patógenas en concentraciones por debajo de su CIM (concentración inhibitoria mínima). Las substancias que interfieren con la sensación del quórum pueden presentar una vida económica más larga en comparación con los antibióticos. Por lo tanto, en la era posterior a los antibióticos, la manipulación de las «vías de transducción de las señales de sensación del quórum controladas por moléculas pequeñas» mediante el uso de compuestos vegetales representa un tema emergente con relación al mantenimiento y la mejora de la salud animal. Sin embargo, los datos presentes en la literatura científica acerca del impacto de las substancias fitogénicas sobre los sistemas de sensación del quórum se centran principalmente en organismos modelo tales como el Vibrio harveyi o el Chromobacterium violaceum o en bacterias que revisten una importancia clínica, como la multirresistente Pseudomonas aeruginosa. Entre los patógenos importantes para las especies de la ganadería, se ha llevado a cabo una investigación considerable con cepas del E. coli O157:H7, mientras que la información disponible sobre los demás patógenos es escasa. Se requieren investigaciones futuras para revelar los mecanismos de inhibición de la sensación del quórum en otros patógenos. Sin duda, la inmensa variedad de sustancias fitogénicas existentes sienta una base prometedora para investigar la reducción de la virulencia en numerosas especies de bacterias mediante la inhibición de la sensación del quórum.

Tabla 2: Efecto de las substancias fitogénicas sobre los genes asociados a la virulencia del E. coli O157:H7 y la producción de toxinas.

 

Conclusión

 

Mientras se va reduciendo el uso a nivel mundial de los antibióticos integrados en el alimento para animales ante los cambios legislativos y la presión de los consumidores por motivos sanitarios, el uso de aditivos fitogénicos para alimentos balanceados constituye una estrategia alternativa cada vez más importante y aceptada para mejorar el rendimiento animal. Ya que se ha demostrado que las sustancias fitogénicas previenen la colonización y la virulencia de los patógenos en concentraciones incluso inferiores a su CIM mediante la interferencia y perturbación del sistema de regulación bacteriana conocido como «sensación del quórum». En conclusión, las sustancias fitogénicas representan un importante pilar en la lucha contra los trastornos bacterianos en animales de granja en una era posterior a los antibióticos.

 

El presente artículo fue publicado en International Animal Health Journal, volumen 4, edición 1.

 
 
Este sitio web utiliza cookies. Las cookies se utilizan para la orientación del usuario y el análisis de las redes; con esto ayudan a que esta página de internet sea más fácil de usar.
Acepte
Si desea objetar esto, desactívelos bajo Aviso legal & Directiva de protección de datos.
X