SimulATe: a simulator of antibiotic therapy effects on the dynamics of bacterial populations

Tese de mestrado em Bioinformática e Biologia Computacional, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, em 2018.Um antibiótico é definido como uma substância química, tanto produzida por microrganismos como sintetizada artificialmente, que inibe o crescimento ou mata outros microrganismos. Estas substâncias são produzidas naturalmente por muitas bactérias, fungos e plantas. Já desde os tempos pré-históricos da humanidade que, inconscientemente, se exploram as vantagens dos antibióticos com o fim de tratar infeções. Mais recentemente, durante o século XX, certos investigadores começaram a identificar, refinar e sintetizar artificialmente antibióticos específicos. Foi o caso da penicilina, o primeiro antibiótico da história, específico de bactérias, a ser produzido em massa. Estes eventos contribuíram para dar origem à era dos antibióticos e, no decorrer do resto do século, uma multitude de novas classes de antibióticos foi descoberta e aprovada para uso humano. No entanto, a taxa de descoberta de novos antibióticos tem vindo a diminuir constantemente ao longo dos anos, sendo que nenhuma nova classe de antibióticos foi descoberta desde 1997. Além disso, bactérias possuidoras de resistências são geralmente detetadas logo após a descoberta de um novo antibiótico, o que aconteceu para cada antibiótico atualmente conhecido. A existência de resistências a antibióticos constitui assim um grande problema para os cuidados de saúde humanos, pois limita a eficácia de um medicamento que, de outra forma, é altamente eficaz no combate à infeção bacteriana. As resistências a antibióticos podem surgir através de mutações genéticas, ou trocadas entre bactérias (transferência horizontal de genes). Estas resistências são depois tornadas mais prevalentes como produto da pressão seletiva exercida pelos antibióticos: matando as bactérias sensíveis e, consequentemente, aumentando a frequência relativa das bactérias resistentes. Múltiplas vias podem conferir uma resistência idêntica ao mesmo antibiótico, nomeadamente através de: modificações da molécula de antibiótico, diminuição da sua penetração através da membrana celular, aumento do efluxo da molécula para fora da célula ou alteração dos locais alvo do antibiótico. Os antibióticos tendem a ser mal utilizados de amplas maneiras, como por ingestão em excesso, prescrição inadequada e uso não controlado na agricultura, bem como devido à falta de conhecimento sobre o uso adequado de antibióticos pelo público em geral, fazendo com que as resistências aumentem a sua prevalência e se espalhem a uma taxa muito mais rápida do que a esperada e até mesmo causando a génese de variedades de bactérias resistentes a múltiplos fármacos simultaneamente. Embora existam tratamentos alternativos aos antibióticos, estes têm um efeito muito mais limitado quando comparado com os antibióticos, ou ainda têm de superar o uso de antibióticos como a abordagem dominante no tratamento de infeções bacterianas. No entanto, um antibiótico nem sempre é necessário no tratamento de uma infeção. Uma pessoa saudável possui um sistema imunitário capaz de reconhecer e eliminar a maioria dos agentes estranhos ao corpo, como bactérias patogénicas, sem necessidade de ajuda externa, como a de um antibiótico. No entanto, uma infeção pode ocasionalmente ser tão grave ou invasiva que os antibióticos, ou outros tratamentos, deverão ser fornecidos para prevenir condições de risco de vida para o paciente. Um antibiótico também pode não ser suficiente para eliminar todas as bactérias patogénicas. No entanto, ao eliminar uma parcela substancial das bactérias suscetíveis aos seus efeitos, o sistema imunitário pode então mais facilmente reduzir a carga microbiana, eliminando as bactérias patogénicas remanescentes, mesmo aquelas que sejam resistentes ao antibiótico aplicado. A combinação dos efeitos de um antibiótico com o funcionamento normal do sistema imunitário deve, portanto, produzir uma eliminação facilitada e mais rápida de uma infeção do que se qualquer um dos sistemas atuasse sozinho, além de reduzir a probabilidade de qualquer bactéria resistente ao antibiótico sobreviver ao tratamento. Por isso, um sistema imunitário funcional é crucial para a sobrevivência de qualquer pessoa. A deterioração do sistema imunitário pode afectar perigosamente o bem-estar de um indivíduo, uma vez que qualquer infeção, por menor que seja, pode crescer rapidamente para uma situação perigosa, mesmo quando um antibiótico é administrado, como acontece no caso de indivíduos infetados pelo VIH. Embora já existam muitas maneiras de agir contra a questão do uso inadequado de antibióticos, o que escolhemos abordar neste trabalho assenta no ensino do público em geral sobre a forma como os antibióticos funcionam e as causas para o aparecimento e/ou aumento de resistências bacterianas, nomeadamente como estas podem aumentar a sua prevalência em resultado do referido uso inadequado de antibióticos. Alguns exemplos do que já foi feito em todo o mundo por esta causa incluem a consciencialização de profissionais de saúde, incorporação de informação relacionada em livros escolares e ensino desta problemática na escola. Ainda assim o problema persiste e as resistências a antibióticos continuam a ser um problema importante, especialmente em hospitais ou outras instalações de saúde. A investigação sobre as resistências a antibióticos e os meios para as superar tornou-se cada vez mais popular ao longo dos anos. Este trabalho pretende contribuir para a simplificação do processo de investigação através do desenvolvimento de novas ferramentas e tecnologias, e poderá ajudar os investigadores a testar mais rapidamente os seus modelos do desenvolvimento da resistência a antibióticos, a encontrar novas resistências a antibióticos e a criar novas metodologias de combate a essas resistências. Acreditamos que qualquer contribuição feita, tanto para a disseminação de boas práticas no uso de antibióticos como para o conhecimento sobre resistências a antibióticos, bem como para o avanço da investigação relativa à resistência a antibióticos, são significativos. Com este trabalho, procurámos desenvolver uma ferramenta digital de simulação que pudesse ser utilizada em dois cenários diferentes: a) por professores, como recurso didático para o ensino das ciências e exploração da problemática da resistência a antibióticos, nomeadamente dos seus impactos, formas de prevenir a sua génese e propagação e interação com o sistema imunitário humano; e b) por investigadores, para ajudar no teste de hipóteses sobre o desenvolvimento de resistências a antibióticos. Em ambos os casos o uso de programas de simulação pode ser vantajoso, pois permitem a visualização e manipulação de variáveis com base em situações reais em ambiente controlado. Esta ferramenta digital, que faz uso das tecnologias atuais, poderá permitir aos alunos exercitar competências científicas fundamentais para o desenvolvimento da sua literacia científica e simultaneamente compreender a problemática da resistência a antibióticos e o impacto das escolhas individuais neste fenómeno e na saúde individual. Estes objetivos de aprendizagem vão ao encontro das diretivas curriculares e programáticas e de metas curriculares em vigor para diversas disciplinas lecionadas ao longo do percurso escolar dos alunos em Portugal. Simultaneamente a inclusão de diversos parâmetros reais permite também a simulação de contextos reais com potencial para serem usados em investigação científica, proporcionando assim aos investigadores um grau elevado de liberdade e controlo sobre as suas simulações. Em linha com estes objetivos, desenvolvemos o SimulATe, um simulador dos efeitos da antibioterapia na dinâmica de populações bacterianas. Este possui uma interface de usuário gráfica e permite a simulação de dois cenários distintos: o primeiro simula os efeitos de um antibiótico numa única população bacteriana em conjunto com o sistema imunitário humano; o segundo simula o equilíbrio natural do microbioma intestinal humano e os efeitos que uma antibioterapia pode ter na sua estabilidade. É um simulador altamente configurável que funciona em tempo real e permite a simulação de uma ampla gama de cenários de administração de antibióticos. Estes tipos de simulações não são possíveis de obter com outras aplicações existentes atualmente, já que estas são ou muito específicas ou não abrangem todos os casos que nos propusemos abordar.Antibiotics are substances either produced by microorganisms or artificial synthesized, which, above certain concentrations, can inhibit the growth or kill other microorganisms. Humanity has been exploiting antibiotics since pre-history times, but only in the 20th century did mass-production begin, allowing for more widespread usage. Nowadays, antibiotics are used extensively worldwide to treat all sorts of infections, especially those caused by bacteria. However, the effectiveness of antibiotics is severely hindered by the existence of antibiotic resistances. These resistances can emerge in bacteria in a variety of different ways, mainly as a result of genetic mutations or horizontal gene transfer and persist due to the selective pressure caused by antibiotics. Multi-resistant strains of bacteria can arise and are a major cause of concern in many health care facilities, the primary source of these strains. Coupled with the fact that the rate of discovery of new antibiotic classes has been steadily declining over the past decades, the existence of antibiotic resistances constitutes one of the most serious health care crises of the 21st century. Arguably, the main cause of antibiotic resistances persistence in nature is antibiotic misuse, such as via overusing, inappropriate prescribing and uncontrolled use in agriculture as well as due to the lack of knowledge on appropriate antibiotic usage by the public. Several approaches can be adopted to combat antibiotic misuse, including raising awareness among medical professionals, incorporating related information in schoolbooks and teaching these issues at school, the latter approach being the one we decided to tackle with this work. We developed SimulATe, a simulator of antibiotic therapy effects on the dynamics of bacteria populations, with the purpose of being used as an educational tool in the teaching of science, exploring antibiotic resistance and the impacts of antibiotic misuse. SimulATe allows the simulation of two distinct scenarios: the first simulates the effects of an antibiotic on a single bacteria population alongside the human immune system; the second simulates the natural equilibrium of the human gut microbiome and the effects an antibiotic therapy can have on its stability. Being a highly configurable real time simulator, which allows the simulation of a broad range of antibiotic therapy administration scenarios, SimulATe can also be used by both researchers and medical institutions to test antibiotic usage scenarios or the development of an infection under antibiotic therapy

SimulATe: a simulator of antibiotic therapy effects on the dynamics of bacterial populations

Tese de mestrado em Bioinformática e Biologia Computacional, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, em 2018.Um antibiótico é definido como uma substância química, tanto produzida por microrganismos como sintetizada artificialmente, que inibe o crescimento ou mata outros microrganismos. Estas substâncias são produzidas naturalmente por muitas bactérias, fungos e plantas. Já desde os tempos pré-históricos da humanidade que, inconscientemente, se exploram as vantagens dos antibióticos com o fim de tratar infeções. Mais recentemente, durante o século XX, certos investigadores começaram a identificar, refinar e sintetizar artificialmente antibióticos específicos. Foi o caso da penicilina, o primeiro antibiótico da história, específico de bactérias, a ser produzido em massa. Estes eventos contribuíram para dar origem à era dos antibióticos e, no decorrer do resto do século, uma multitude de novas classes de antibióticos foi descoberta e aprovada para uso humano. No entanto, a taxa de descoberta de novos antibióticos tem vindo a diminuir constantemente ao longo dos anos, sendo que nenhuma nova classe de antibióticos foi descoberta desde 1997. Além disso, bactérias possuidoras de resistências são geralmente detetadas logo após a descoberta de um novo antibiótico, o que aconteceu para cada antibiótico atualmente conhecido. A existência de resistências a antibióticos constitui assim um grande problema para os cuidados de saúde humanos, pois limita a eficácia de um medicamento que, de outra forma, é altamente eficaz no combate à infeção bacteriana. As resistências a antibióticos podem surgir através de mutações genéticas, ou trocadas entre bactérias (transferência horizontal de genes). Estas resistências são depois tornadas mais prevalentes como produto da pressão seletiva exercida pelos antibióticos: matando as bactérias sensíveis e, consequentemente, aumentando a frequência relativa das bactérias resistentes. Múltiplas vias podem conferir uma resistência idêntica ao mesmo antibiótico, nomeadamente através de: modificações da molécula de antibiótico, diminuição da sua penetração através da membrana celular, aumento do efluxo da molécula para fora da célula ou alteração dos locais alvo do antibiótico. Os antibióticos tendem a ser mal utilizados de amplas maneiras, como por ingestão em excesso, prescrição inadequada e uso não controlado na agricultura, bem como devido à falta de conhecimento sobre o uso adequado de antibióticos pelo público em geral, fazendo com que as resistências aumentem a sua prevalência e se espalhem a uma taxa muito mais rápida do que a esperada e até mesmo causando a génese de variedades de bactérias resistentes a múltiplos fármacos simultaneamente. Embora existam tratamentos alternativos aos antibióticos, estes têm um efeito muito mais limitado quando comparado com os antibióticos, ou ainda têm de superar o uso de antibióticos como a abordagem dominante no tratamento de infeções bacterianas. No entanto, um antibiótico nem sempre é necessário no tratamento de uma infeção. Uma pessoa saudável possui um sistema imunitário capaz de reconhecer e eliminar a maioria dos agentes estranhos ao corpo, como bactérias patogénicas, sem necessidade de ajuda externa, como a de um antibiótico. No entanto, uma infeção pode ocasionalmente ser tão grave ou invasiva que os antibióticos, ou outros tratamentos, deverão ser fornecidos para prevenir condições de risco de vida para o paciente. Um antibiótico também pode não ser suficiente para eliminar todas as bactérias patogénicas. No entanto, ao eliminar uma parcela substancial das bactérias suscetíveis aos seus efeitos, o sistema imunitário pode então mais facilmente reduzir a carga microbiana, eliminando as bactérias patogénicas remanescentes, mesmo aquelas que sejam resistentes ao antibiótico aplicado. A combinação dos efeitos de um antibiótico com o funcionamento normal do sistema imunitário deve, portanto, produzir uma eliminação facilitada e mais rápida de uma infeção do que se qualquer um dos sistemas atuasse sozinho, além de reduzir a probabilidade de qualquer bactéria resistente ao antibiótico sobreviver ao tratamento. Por isso, um sistema imunitário funcional é crucial para a sobrevivência de qualquer pessoa. A deterioração do sistema imunitário pode afectar perigosamente o bem-estar de um indivíduo, uma vez que qualquer infeção, por menor que seja, pode crescer rapidamente para uma situação perigosa, mesmo quando um antibiótico é administrado, como acontece no caso de indivíduos infetados pelo VIH. Embora já existam muitas maneiras de agir contra a questão do uso inadequado de antibióticos, o que escolhemos abordar neste trabalho assenta no ensino do público em geral sobre a forma como os antibióticos funcionam e as causas para o aparecimento e/ou aumento de resistências bacterianas, nomeadamente como estas podem aumentar a sua prevalência em resultado do referido uso inadequado de antibióticos. Alguns exemplos do que já foi feito em todo o mundo por esta causa incluem a consciencialização de profissionais de saúde, incorporação de informação relacionada em livros escolares e ensino desta problemática na escola. Ainda assim o problema persiste e as resistências a antibióticos continuam a ser um problema importante, especialmente em hospitais ou outras instalações de saúde. A investigação sobre as resistências a antibióticos e os meios para as superar tornou-se cada vez mais popular ao longo dos anos. Este trabalho pretende contribuir para a simplificação do processo de investigação através do desenvolvimento de novas ferramentas e tecnologias, e poderá ajudar os investigadores a testar mais rapidamente os seus modelos do desenvolvimento da resistência a antibióticos, a encontrar novas resistências a antibióticos e a criar novas metodologias de combate a essas resistências. Acreditamos que qualquer contribuição feita, tanto para a disseminação de boas práticas no uso de antibióticos como para o conhecimento sobre resistências a antibióticos, bem como para o avanço da investigação relativa à resistência a antibióticos, são significativos. Com este trabalho, procurámos desenvolver uma ferramenta digital de simulação que pudesse ser utilizada em dois cenários diferentes: a) por professores, como recurso didático para o ensino das ciências e exploração da problemática da resistência a antibióticos, nomeadamente dos seus impactos, formas de prevenir a sua génese e propagação e interação com o sistema imunitário humano; e b) por investigadores, para ajudar no teste de hipóteses sobre o desenvolvimento de resistências a antibióticos. Em ambos os casos o uso de programas de simulação pode ser vantajoso, pois permitem a visualização e manipulação de variáveis com base em situações reais em ambiente controlado. Esta ferramenta digital, que faz uso das tecnologias atuais, poderá permitir aos alunos exercitar competências científicas fundamentais para o desenvolvimento da sua literacia científica e simultaneamente compreender a problemática da resistência a antibióticos e o impacto das escolhas individuais neste fenómeno e na saúde individual. Estes objetivos de aprendizagem vão ao encontro das diretivas curriculares e programáticas e de metas curriculares em vigor para diversas disciplinas lecionadas ao longo do percurso escolar dos alunos em Portugal. Simultaneamente a inclusão de diversos parâmetros reais permite também a simulação de contextos reais com potencial para serem usados em investigação científica, proporcionando assim aos investigadores um grau elevado de liberdade e controlo sobre as suas simulações. Em linha com estes objetivos, desenvolvemos o SimulATe, um simulador dos efeitos da antibioterapia na dinâmica de populações bacterianas. Este possui uma interface de usuário gráfica e permite a simulação de dois cenários distintos: o primeiro simula os efeitos de um antibiótico numa única população bacteriana em conjunto com o sistema imunitário humano; o segundo simula o equilíbrio natural do microbioma intestinal humano e os efeitos que uma antibioterapia pode ter na sua estabilidade. É um simulador altamente configurável que funciona em tempo real e permite a simulação de uma ampla gama de cenários de administração de antibióticos. Estes tipos de simulações não são possíveis de obter com outras aplicações existentes atualmente, já que estas são ou muito específicas ou não abrangem todos os casos que nos propusemos abordar.Antibiotics are substances either produced by microorganisms or artificial synthesized, which, above certain concentrations, can inhibit the growth or kill other microorganisms. Humanity has been exploiting antibiotics since pre-history times, but only in the 20th century did mass-production begin, allowing for more widespread usage. Nowadays, antibiotics are used extensively worldwide to treat all sorts of infections, especially those caused by bacteria. However, the effectiveness of antibiotics is severely hindered by the existence of antibiotic resistances. These resistances can emerge in bacteria in a variety of different ways, mainly as a result of genetic mutations or horizontal gene transfer and persist due to the selective pressure caused by antibiotics. Multi-resistant strains of bacteria can arise and are a major cause of concern in many health care facilities, the primary source of these strains. Coupled with the fact that the rate of discovery of new antibiotic classes has been steadily declining over the past decades, the existence of antibiotic resistances constitutes one of the most serious health care crises of the 21st century. Arguably, the main cause of antibiotic resistances persistence in nature is antibiotic misuse, such as via overusing, inappropriate prescribing and uncontrolled use in agriculture as well as due to the lack of knowledge on appropriate antibiotic usage by the public. Several approaches can be adopted to combat antibiotic misuse, including raising awareness among medical professionals, incorporating related information in schoolbooks and teaching these issues at school, the latter approach being the one we decided to tackle with this work. We developed SimulATe, a simulator of antibiotic therapy effects on the dynamics of bacteria populations, with the purpose of being used as an educational tool in the teaching of science, exploring antibiotic resistance and the impacts of antibiotic misuse. SimulATe allows the simulation of two distinct scenarios: the first simulates the effects of an antibiotic on a single bacteria population alongside the human immune system; the second simulates the natural equilibrium of the human gut microbiome and the effects an antibiotic therapy can have on its stability. Being a highly configurable real time simulator, which allows the simulation of a broad range of antibiotic therapy administration scenarios, SimulATe can also be used by both researchers and medical institutions to test antibiotic usage scenarios or the development of an infection under antibiotic therapy