Estudio de los mecanismos de mutagénesis y potencia mutagénica de quinolonas

Abstract

Dada la importancia clínica de las quinolonas en el control de enfermedades infecciosas y las posibles implicaciones que puede tener el hecho de que estas moléculas sean agentes mutagénicos en bacterias, el presente estudio se ha centrado en profundizar en los mecanismos de mutagénesis, utilizando la ciprofloxacina como molécula modelo, y en determinar el potencial mutagénico de quinolonas de actual uso clínico.<br/>En lo que se refiere a los mecanismos de mutagénesis, se ha demostrado que para la mutagénesis inducida por ciprofloxacina, se requiere que las bacterias posean un sistema de reparación de escisión de nucleótidos (NER) funcional, descartándose que el operón moa, el cual codifica genes de biosíntesis de cofactores de molibdeno tenga algún papel en dicha mutagénesis.<br/>Estos resultados corroboran estudios anteriores, los cuales sugerían la participación del sistema NER en dicha mutagénesis, e indican que probablemente otros genes deleccionados en las cepas de ensayo de S. enterica Typhimurium TA104 y TA2659 distintos del uvrB, no deben tener un papel importante en la mutagénesis mediada por las quinolonas.<br/>Por otra parte, se ha demostrado que la ciprofloxacina puede generar alguna especie reactiva de oxígeno, probablemente el anión superóxido (O2-) y/o oxígeno singlete produciendo daño oxidativo, el cual no debe de ser preferentemente la lesión 8-oxoG.<br/>El conjunto de estos resultados indica que las quinolonas deben de producir diferentes tipos de lesiones en el DNA de las células bacterianas. Así, la interacción de la molécula de quinolona con el complejo DNA - DNA girasa debe generar un tipo de distorsión análoga a un enlace intercatenario, dando lugar a una lesión premutagénica. Dicha lesión puede ser procesada por el sistema NER y convertirse en una lesión mutagénica sobre la cual actuaría una DNA polimerasa tendente al error, análoga a MucAB y que introduciría una mutación. Este mecanismo de mutagénesis debe ser común a este tipo de moléculas. Por otra parte, los resultados obtenidos en mutantes soxRS indican que esta familia de compuestos también introducen lesiones oxidativas, las cuales deben de ser más relevantes en aquellas moléculas descritas como fototóxicas, como clinafloxacina, lomefloxacina y otras.<br/>Finalmente, y utilizando ensayos de retromutación en E. coli y S. enterica Typhimurium, se ha demostrado que las quinolonas de cuarta generación clinafloxacina, trovafloxacina y gemifloxacina son las que presentan mayor actividad mutagénica, mientras que levofloxacina y moxifloxacina son las que producen un menor número de revertientes en ambos sistemas de ensayo. El potencial mutagénico de cada quinolona debe de estar relacionado con su estructura molecular, permeabilidad de la bacteria y acumulación de las quinolonas. Así, se relaciona la baja capacidad de mutagénesis de la moxifloxacina en ambos ensayos con la presencia de un grupo metoxi en posición C-8, mientras que la ciprofloxacina es detectada como una molécula de elevada capacidad mutagénica en E. coli WP2 / pKM101 y de baja actividad en S. enterica Serov. Typhimurium. Es de señalar que la mutagénesis estudiada se manifiesta a dosis de quinolonas inferiores a la CMI de cada molécula en las cepas de ensayo. En atención a estos resultados se discute las posibles implicaciones de la exposición de las poblaciones de patógenos a bajas dosis de quinolonas y se propone este tipo de estudio como clave para el desarrollo de nuevas moléculas de esta familia de antimicrobianos, los cuales deberían presentar una mejor actividad antibacteriana junto a una baja capacidad de introducir mutaciones.

Given the clinic importance of the quinolones in the control of infectious diseases and their possible involvement in the bacterial mutagenesis, this study has been focused to gain insight into the mutagenesis mechanisms using ciprofloxacin as a model and by determining the mutagenic potential of quinolones in the current clinic administration.<br/>In reference to the mutagenic mechanisms, it has been shown that bacteria must own a functional nucleotide excision repair system (NER) for taking part the ciprofloxacin-induced mutagenesis. Furthermore, it has been rule out that moa operon, which codifies genes participating in the biosynthesis of molybdenum cofactors, has a role in such mutagenesis process.<br/>These results support early studies which suggested the participation of NER in the above mentioned mutagenesis and indicate that likely other deleted genes apart from uvrB in the tester strains TA104 and TA2659 of Salmonella typhimurium may not have an important role in the quinolones mediated mutagenesis<br/>On the other hand, it has been demonstrated that ciprofloxacin can generate some reactive oxygen species (likely superoxid anion (O2-) and/or singlet oxygen) that produce oxidative damage. This damage may be not preferably the 8-oxoG lesion.<br/>All these results together indicate that quinolones have to produce different kinds of DNA lesions in bacterial cells. Thus the interaction of quinolone molecule with the DNA-DNA gyrase complex has to generate a type of distortion analogue to an interchain bond, giving rise to a premutagenic lesion. This lesion can be processed by the NER system and became a mutagenic lesion that could be bypassed by an error-prone DNA polymerase (as MucAB) introducing a mutation. Such mutagenic mechanism has to be common to that kind of molecules. On the other hand, results obtained in soxRS mutants indicate that this family of compounds introduces also oxidative damage which has to be more relevant in phototoxic molecules as clinafloxacin, lomefloxacin, among others.<br/>Finally, using retromutation assays in E. coli and S. enterica thyphimurium, it has been demonstrated that fourth-generation quinolones as clinafloxacin, trovafloxacin y gemifloxacin show the highest mutagenic activity, while levofloxacin and moxifloxacin produce a lower number of revertants in both assay systems. The mutagenic potential of each quinolone has to be related to its molecular structure, bacterial permeability and quinolone accumulation. That way the low mutagenic action of moxifloxacin is related to the presence of the metoxy group in C-8 position, while ciprofloxacin is detected as a high mutagenic activity molecule in E. coli WP2/pKM101 and of low mutagenic activity molecule in S. enterica Serov. typhimurium. It is important to mention that the studied mutagenesis appears at quinolone doses lower to the MIC of each molecule in the assay strains. Having in mind this results the possible implications of the pathogen population exposition to low doses of quinolones is discussed, and it is proposed that these studies are key for the development of new quinolone molecules, which should present both, a higher antibacterial and a low capability of mutagenic activities.