Escherichia coli

Micrografía electrónica a baja temperatura de un grupo de bacterias E. coli, ampliada 10.000 veces. Cada bacteria individual tiene forma oblonga.

E. coli es un miembro de la familia Enterobacteriaceae, que incluye muchos géneros, incluyendo patógenos bien conocidos como Salmonella, Shigella y Yersinia. Una de las palabras raíz del nombre científico de la familia, «entérica», se refiere al intestino, y a menudo se utiliza como sinónimo de «fecal». Todos los diferentes tipos de bacterias fecales coli (es decir, E. coli), y todas las bacterias muy similares (hermanos gemelos) que viven en el suelo o en las plantas en descomposición (de las cuales la más común es Enterobacter aerogenes), se agrupan bajo el nombre de coliformes. Técnicamente, el «grupo de los coliformes» se define como todas las bacterias aerobias y anaerobias facultativas, no formadoras de esporas, Gram negativas, con forma de bastón, que fermentan la lactosa con la producción de gas en 48 horas a 35°C (95°F). En el cuerpo, este gas se libera como flatulencia. Coliforme no es una clasificación taxonómica sino una definición de trabajo.

Al igual que otras bacterias, E. coli se multiplica vegetativamente por fisión binaria. La presencia del factor F (factor de fertilidad o factor sexual) también ha permitido que el organismo se someta, aquí y allá, a la conjugación para la transferencia lateral de ADN entre organismos. El factor F es una secuencia de ADN bacteriano que permite a una bacteria producir un pilus sexual y un puente de conjugación con otro conjugante, necesario para la conjugación. Contiene 20 genes tra (de «transferencia») y varias otras secuencias genéticas responsables de la incompatibilidad, la replicación y otras funciones. Durante la conjugación en E. coli, el material genético puede transferirse entre los dos conjugantes y pueden producirse recombinantes de alta frecuencia (cepas con ADN cromosómico de otro conjugante que se recibe como parte integrante del plásmido, concretamente el factor F). Además, la transferencia genética también puede producirse a través de la transducción (transferencia del gen a través de un bacteriófago).

E. coli puede sobrevivir fuera del huésped durante un tiempo, pero la desinfección de todas las bacterias activas puede llevarse a cabo fácilmente mediante la pasteurización o la simple ebullición, no siendo necesario un proceso de esterilización más riguroso ya que la bacteria no forma esporas.

Estres

Una «cepa» de E. coli es un grupo con unas características particulares que la hacen distinguible de otros grupos de E. coli. Estas diferencias suelen ser detectables sólo a nivel molecular; sin embargo, pueden provocar cambios en la fisiología o el ciclo de vida de la bacteria, lo que conduce, por ejemplo, al diferente nivel de patogenicidad (capacidad de un organismo para causar enfermedades en otro organismo).

Diferentes cepas de E. coli viven en diferentes tipos de animales, por lo que es posible rastrear si la materia fecal del agua procede de seres humanos o de aves, por ejemplo.

Nuevas cepas de E. coli surgen todo el tiempo a partir del proceso biológico natural de mutación, y algunas de esas cepas desarrollan características que pueden ser perjudiciales para su animal huésped. Aunque en la mayoría de los seres humanos adultos sanos una cepa de este tipo probablemente no causaría más que un episodio de diarrea, y podría no producir ningún síntoma, en los niños pequeños, las personas que están o han estado recientemente enfermas, o en las personas que toman ciertos medicamentos, una cepa de este tipo puede causar una enfermedad grave e incluso la muerte. La cepa de E. coli O157:H7 es una de los cientos de cepas de la bacteria que son virulentas y causan enfermedades en los seres humanos (CCID/DBMD 2006).

Dado que E. coli y las bacterias relacionadas poseen la capacidad de transferir ADN a través de la conjugación bacteriana y los bacteriófagos, una nueva mutación puede propagarse más ampliamente a través de una población existente. Se cree que este proceso condujo a la propagación de la capacidad de sintetizar toxinas de Shigella a E. coli O157:H7.

La combinación de letras y números en el nombre de la cepa bacteriana hace referencia a los marcadores específicos que se encuentran en su superficie y la distinguen de otras cepas de E. coli. Se dice que E. coli O157:H7 posee 5.000 genes en su genoma, lo que supone unos 1.000 genes más que los de otras cepas (NIH/NIAID 2001).

Las E. coli productoras de betalactamasas de espectro extendido (ESBL) son cepas resistentes a los antibióticos. Producen una enzima denominada betalactamasa de espectro extendido, que las hace resistentes a los antibióticos, lo que hace que las infecciones sean más difíciles de tratar. En muchos casos, sólo unos pocos antibióticos orales y un grupo muy limitado de antibióticos intravenosos siguen siendo eficaces.

Detección de E. coli

La detección de E. coli es la única forma segura de diagnosticar las enfermedades asociadas. Además, al detectar su presencia o incluso enumerar su recuento, se evalúa la gravedad de la contaminación fecal y se emiten sugerencias adecuadas. Así, se han establecido diferentes niveles de detección del organismo.

Como resultado de su adaptación a los intestinos de los mamíferos, las diferentes cepas de E. coli crecen mejor in vivo o a las temperaturas más altas características de dicho entorno, en lugar de las temperaturas más frías que se encuentran en el suelo y otros entornos. Los coliformes se diferencian muy fácilmente de otros cultivándolos en un medio de lactosa-peptona-nutrientes (por ejemplo, el caldo Mac-Conkey producido por Merck) a 37°C durante 48 horas y comprobando si pueden producir ácido y gas. La estimación del número de células por unidad se lleva a cabo mediante un ensayo estadístico de varios pasos denominado «método del número más probable (NMP)»

Para una mayor diferenciación de los colis fecales, se cultivan en medio de agar lactosa-peptona-eosina-azul de metilo (EMB). Tras incubar el medio a 37°C durante 48 horas, E. coli se convierte en colonias negras azules con un brillo metálico que refleja la luz, mientras que Enterobacter forma colonias viscosas rojizas. En el caso de E. coli O157:H7, la muestra de heces se analizará en agar sorbitol-MacConkey (SMAC).

Para realizar la diferenciación completa del contaminante fecal (por ejemplo, E. coli) y el contaminante no fecal (por ejemplo, Enterobacter), se utilizan una serie de pruebas bioquímicas que se conocen colectivamente como prueba IMViC. En estas pruebas se lleva a cabo la producción de indol a partir de triptófano (prueba del indol), la producción de ácido fuerte que provoca el color rojo en el indicador rojo de metilo (prueba del rojo de metilo), la producción de acetoína (prueba de Voges-Proskauer) y el uso de citrato como única fuente de carbono (prueba del citrato). E. coli muestra reacciones positivas para las dos primeras pruebas, mientras que Enterobacter aerogenes para las dos últimas.

Agente causante de enfermedades

Aunque la mayoría de las cepas son inofensivas, la cepa E. coli O157:H7 produce una potente toxina que puede causar enfermedades graves. Por ello, E. coli O157:H7 se ha convertido en una de las principales causas de enfermedades transmitidas por los alimentos (CDC 2006). En general, E. coli puede causar varias infecciones intestinales y extraintestinales, como infecciones del tracto urinario, meningitis, peritonitis, mastitis, septicemia y neumonía por gramnegativos. Si las bacterias E. coli se escapan del tracto intestinal a través de una perforación (un agujero o desgarro, por ejemplo de una úlcera, una ruptura del apéndice o un error quirúrgico), y entran en el abdomen, suelen causar una peritonitis que puede ser mortal sin un tratamiento rápido.

Modo de transmisión

El ganado es la principal fuente de infección por E. coli O157, ya que puede vivir en los intestinos de vacas, ciervos, cabras y ovejas sanas; su estiércol también es una fuente importante. Por lo tanto, la mayoría de las enfermedades se han asociado a la ingesta de carne picada poco cocinada y contaminada. Dado que los colis toxigénicos pueden residir en animales resistentes a la toxina, pueden propagarse a través del contacto directo en granjas, en zoológicos de mascotas, etc. Sin embargo, las personas también han enfermado por comer salami contaminado, brotes de soja o verduras de hoja verde frescas, como la lechuga y las espinacas.

El contacto de persona a persona en las familias y en las guarderías también es un modo de transmisión conocido. Las personas infectadas por E. coli son muy contagiosas. Además, la infección puede producirse después de beber leche cruda y después de nadar o beber agua o zumos contaminados por aguas residuales.

También se ha demostrado que las cepas de E. coli, concretamente la O157:H7, pueden encontrarse en las moscas de la inmundicia de las explotaciones ganaderas y en las moscas domésticas y pueden ser transmitidas por ellas (Szalanski et al. 2004; Alam et al. 2004). También pueden transmitirse a las moscas de la fruta y por ellas a las frutas heridas y de ahí a las personas al consumirlas (Sela et al. 2005). También pueden propagarse a través de partículas en el aire en algunos entornos (Christie 2002).

Infecciones gastrointestinales

Las E. coli se dividen en función de sus propiedades de virulencia en enterotoxigénicas (ETEC, agente causante de diarrea en humanos, cerdos, ovejas, cabras, vacas, perros y caballos); enteropatógenas (EPEC, agente causante de diarrea en humanos, conejos, perros, gatos y caballos) enteroinvasiva (EIEC, encontrada sólo en humanos); verotoxigénica (VTEC, encontrada en cerdos, bovinos, perros y gatos); enterohemorrágica (EHEC, encontrada en humanos, bovinos y cabras); cepas porcinas atacantes que colonizan el intestino de manera similar a las cepas EPEC humanas; y E. coli (EAggEC, que sólo se encuentra en los seres humanos).

Ciertas cepas de E. coli, como Escherichia coli O157:H7 y E. coli O104:H21, son toxigénicas (algunas producen una toxina muy similar a la que se observa en la disentería) y pueden causar intoxicaciones alimentarias generalmente asociadas al consumo de queso y carne contaminada (contaminada durante o poco después del sacrificio o durante su almacenamiento o exposición). La contramedida habitual es cocinar la carne sospechosa «bien hecha»; la alternativa de inspeccionar cuidadosamente los métodos de sacrificio y carnicería (para asegurarse de que se extrae el colon del animal y no se pincha) no se ha probado aparentemente de forma sistemática.

Se cree que esta cepa en particular está asociada al brote de E. coli de 2006 en Estados Unidos vinculado a las espinacas frescas. La gravedad de la enfermedad varía considerablemente. Puede ser mortal, sobre todo para los niños pequeños, los ancianos o las personas inmunodeprimidas, pero es más frecuente que sea leve.

E. coli puede albergar enterotoxinas termoestables y termolábiles. Esta última, denominada LT, es muy similar en estructura y función a la toxina del cólera. Contiene una subunidad «A» y cinco subunidades «B» dispuestas en una holotoxina. Las subunidades B ayudan a la adhesión y entrada de la toxina en las células intestinales del huésped, donde la subunidad A se escinde e impide que las células absorban agua, causando diarrea. La LT se secreta por la vía de secreción de tipo 2 (Tauschek et al. 2002).

E. coli posee una maquinaria específica de nucleación-precipitación para producir oglímeros amiloides solubles y precipitarlos como curli, una red de fibras que unen a las bacterias con las células del huésped y entre sí. Se desconoce la importancia de E. coli como fuente de amiloide, pero las fibras amiloides son un componente de numerosos procesos de enfermedades humanas, incluido el Alzheimer (Chapman et al. 2002).

Infecciones del tracto urinario (ITU)

Aunque es más común en las mujeres debido a que el tracto urinario es más corto, la infección del tracto urinario se observa tanto en hombres como en mujeres. Se encuentra en proporciones más o menos iguales en hombres y mujeres de edad avanzada. Dado que las bacterias entran invariablemente en el tracto urinario a través de la uretra, lo que se denomina «infecciones ascendentes», los malos hábitos de aseo pueden predisponer a la infección. Sin embargo, también hay otros factores importantes (el embarazo en las mujeres, el agrandamiento de la próstata en los hombres) y en muchos casos no está claro cuál es el acontecimiento iniciador. Mientras que las infecciones ascendentes suelen ser la norma para las infecciones del tracto urinario inferior y la cistitis, no ocurre lo mismo con las infecciones del tracto urinario superior, como la pielonefritis, que pueden ser de origen hematógeno. La mayoría de los casos de infecciones del tracto urinario inferior en las mujeres son benignos y no necesitan pruebas de laboratorio exhaustivas. Sin embargo, la ITU en niños pequeños debe ser objeto de un estudio de imagen, normalmente una uretrografía retrógrada, para determinar la presencia o ausencia de anomalías congénitas del tracto urinario. Los varones también deben ser investigados más a fondo.

En algunas personas, la E. coli O:157H:7 es más notoria por causar complicaciones graves, incluso mortales, como el Síndrome Urémico Hemorrágico (SHU). Las personas con este problema sufren anemia hemolítica (que es un recuento bajo de glóbulos rojos), trombocitopenia (que es un recuento bajo de plaquetas) e insuficiencia renal (que es un daño renal). Alrededor del 8% de las personas cuya enfermedad diarreica es lo suficientemente grave como para buscar atención médica desarrollan esta complicación. En Estados Unidos, el síndrome urémico hemolítico es la principal causa de insuficiencia renal aguda en niños, y la mayoría de los casos de síndrome urémico hemolítico están causados por E. coli O157:H7 (CDC 2006).

Tratamiento de las infecciones por E. coli

Tratamiento antibiótico

El tratamiento adecuado de las infecciones por E. coli depende de la enfermedad y debe guiarse, siempre que sea posible, por el análisis de laboratorio de la sensibilidad a los antibióticos de la cepa infectante. Como organismos gramnegativos, E. coli es resistente a muchos antibióticos que son eficaces contra los organismos grampositivos. Los antibióticos que pueden utilizarse para tratar la infección por E. coli incluyen (pero no se limitan a) la amoxicilina, así como otras penicilinas semisintéticas, muchas cefalosporinas, carbapenems, aztreonam, trimetoprim-sulfametoxazol, ciprofloxacina, nitrofurantoína y los aminoglucósidos. No todos los antibióticos son adecuados para todas las enfermedades causadas por E. coli, y debe buscarse el consejo de un médico.

La resistencia a los antibióticos es un problema creciente. Parte de ello se debe al uso excesivo de antibióticos en los seres humanos, pero otra parte se debe probablemente al uso de antibióticos como promotores del crecimiento en los animales destinados a la alimentación (Johnson et al. 2006). La resistencia a los antibióticos betalactámicos se ha agravado en las últimas décadas, ya que las cepas que producen betalactamasas de espectro extendido hacen que muchas, si no todas, las penicilinas y cefalosporinas sean ineficaces como terapia.

E. coli es un miembro frecuente de las biopelículas multiespecíficas. Algunas cepas están piliadas (con plásmido F) y son capaces de aceptar y transferir plásmidos desde y hacia otras bacterias de la misma y diferente especie. E. coli suele ser portadora de plásmidos multirresistentes y, bajo estrés, transfiere fácilmente esos plásmidos a otras especies. Así, E. coli y los demás miembros de las enterobacterias son importantes reservorios de resistencia a los antibióticos transferibles (Franiczek et al. 2006).

Sin embargo, E. coli son extremadamente sensibles a antibióticos como la estreptomicina o la gentamicina, por lo que el tratamiento con estos antibióticos suele ser eficaz. Esto podría cambiar rápidamente, ya que, como se ha señalado anteriormente, E. coli adquiere rápidamente resistencia a los medicamentos (NIH 2001). La Academia Americana de Ciencias sugiere minimizar el uso de antibióticos.

Terapia de fagos

La terapia de fagos es el uso de virus que se dirigen específicamente a las bacterias patógenas. Se ha desarrollado durante los últimos 80 años, principalmente en la antigua Unión Soviética, donde se utilizaba para prevenir la diarrea causada por E. coli, entre otras cosas, en el Ejército Rojo, y estaba ampliamente disponible sin receta médica.

Vacuna

Las vacunas contra E. coli han estado en desarrollo durante muchos años (Girard et al. 2006). En marzo de 2006, se informó de que una vacuna que provocaba una respuesta inmunitaria contra el polisacárido específico de E. coli O157:H7 conjugado con la exotoxina A recombinante de Pseudomonas aeruginosa (O157-rEPA) era segura e inmunógena en niños de dos a cinco años. Ya se ha demostrado que es segura e inmunógena en adultos. Está previsto realizar un ensayo clínico de fase III para verificar la eficacia a gran escala del tratamiento (Ahmed 2006).

En enero de 2007, la empresa biofarmacéutica canadiense Bioniche anunció que había desarrollado una vacuna para el ganado que reduce el número de bacterias que se desprenden del estiércol en un factor de 1.000, hasta unas 1.000 bacterias por gramo de estiércol (Pearson 2007; CanadaAM 2007; BionichePR 2007).

Significación en microbiología

Debido a su ubicuidad, E. coli se estudia con frecuencia en microbiología y se utiliza habitualmente como organismo modelo para el estudio de las bacterias en general. Su estructura ya ha sido claramente comprendida y constituye un excelente objetivo para los estudiantes principiantes, intermedios y avanzados de las ciencias de la vida. El factor de fertilidad (plásmido F) y la conjugación bacteriana se descubrieron por primera vez en E. coli, y sigue siendo el principal modelo para estudiar la conjugación y la transferencia de genes.

Es el actual «caballo de batalla» de la biología molecular. Las cepas utilizadas en el laboratorio se han adaptado eficazmente a ese entorno, y ya no están tan bien adaptadas a la vida en el intestino de los mamíferos como el tipo salvaje. Una de las principales adaptaciones es la pérdida de las grandes cantidades de mucopolisacáridos externos producidos por el tipo salvaje para protegerse de los anticuerpos y otros ataques químicos, pero que requieren un gran gasto de energía y recursos materiales del organismo. Esto puede observarse al cultivar los organismos en placas de agar; mientras que las cepas de laboratorio producen colonias individuales bien definidas, con las cepas de tipo salvaje las colonias están incrustadas dentro de esta gran masa de mucopolisacárido, lo que dificulta el aislamiento de las colonias individuales.

Debido a esta larga historia de cultivo y manipulación en laboratorio, E. coli desempeña un papel importante en la ingeniería biológica moderna. Los investigadores pueden alterar la bacteria para que sirva de «fábrica» para sintetizar ADN y/o proteínas, que luego pueden producirse en grandes cantidades mediante los procesos de fermentación industrial. Una de las primeras aplicaciones útiles de la tecnología del ADN recombinante fue la manipulación de E. coli para producir insulina humana para pacientes con diabetes. Los científicos están diseñando sintéticamente E. coli que puede dirigirse a las células cancerosas y matarlas (Singer 2006).

Importancia en la determinación de la pureza del agua y el tratamiento de las aguas residuales

A partir del examen microbiológico del agua, se puede determinar su portabilidad (idoneidad para el consumo). La presencia de bacterias coliformes en las aguas superficiales es un indicador común de contaminación fecal.

En el campo de la purificación del agua y el tratamiento de las aguas residuales, E. coli fue elegida muy pronto en el desarrollo de la tecnología como «indicador» del nivel de contaminación del agua, es decir, de la cantidad de materia fecal humana que contiene. E. coli se utiliza para la detección porque constituye aproximadamente el 10% de los microorganismos intestinales de los seres humanos y los animales; en consecuencia, hay muchos más coliformes en las heces humanas que patógenos. (La Salmonella typhi es un ejemplo de tal patógeno, causante de la fiebre tifoidea). E. coli suele ser inofensiva, por lo que no puede «soltarse» en el laboratorio y hacer daño a nadie.

La prueba para detectar la presencia de coliformes en el agua ha implicado tradicionalmente tres pruebas estándar de rutina: (a) la prueba presuntiva, (b) la prueba confirmada y (c) la prueba completa. La prueba presuntiva se limita a observar la presencia de coliformes en términos de producción de gas a partir de la fermentación de la lactosa. Como la producción de gas no sólo se debe a los contaminantes fecales, sino también a los no fecales y a los no coliformes, las pruebas presuntivas positivas se analizan posteriormente mediante la prueba confirmada. Aquí se comprueba la característica especial de los coliformes fecales (E. coli), como el brillo metálico que muestran las colonias en el medio EMB-agar, etc. Para completar la prueba sanitaria, se comprueba la producción de gas y las características morfológicas de E. coli en los casos positivos de la prueba confirmada.

Además, el número de coliformes, así como de E. coli, por unidad de volumen de la muestra de agua puede estimarse mediante las pruebas de NMP (número más probable). Comparando el número de coliformes/E. coli con el índice de coliformes estandarizado, la calidad del agua puede calificarse y recomendarse para un determinado uso o para ninguno. Muchas de estas pruebas se realizan de forma rutinaria en los sistemas de almacenamiento y distribución de agua.

Sin embargo, a veces puede ser engañoso utilizar sólo el E. coli como indicador de la contaminación fecal humana porque hay otros entornos en los que el E. coli crece bien, como las fábricas de papel. En otros lugares, las pruebas más avanzadas las han sustituido. Otros organismos como Streptococcus bovis y ciertas especies de Clostridium también se utilizan como índice de contaminación fecal de las fuentes de agua potable.