Beatriz España*
Ante la constante propagación de microorganismos en el medio ambiente, se han explorado diversas estrategias que eviten la proliferación de patógenos causantes de enfermedades infecciosas. Una tecnología de frontera en el diseño de sistemas antimicrobianos es a partir del desarrollo de nanomateriales, los cuales han demostrado amplia capacidad antimicrobiana al contacto con bacterias, hongos, virus y protozoos [1], y recientemente han demostrado poseer capacidad viricida al contacto con cepas de SARS-CoV 2 [2,3]. En particular, se ha demostrado que las nanopartículas (NPs) tienen la capacidad de interrumpir el crecimiento de bacterias debido a su interacción directa con la estructura celular bacteriana, ocasionando cambios en la permeabilidad de las células por formación de complejos, la generación de “hoyos” y la interacción de las NPs con componentes intracelulares, produciendo daños irreversibles que se traducen en la muerte celular [4].
Actualmente, podemos observar que el uso de NPs como aditivos para la formulación de sistemas antimicrobianos ya se comercializa en el mercado, a través de la fabricación de desinfectantes, pinturas, textiles y recubrimientos. La clave del éxito del producto se fundamenta en la evaluación microbiológica bajo norma, que valide la capacidad microbicida del producto, sin considerar a mediano o largo plazo los posibles efectos tóxicos o el impacto ambiental producido por el uso de materiales a nano escala.
A la par de ello, durante los últimos 20 años se ha demostrado que las bacterias tienen la capacidad de adaptarse ante una exposición prolongada de antibióticos, lo que puede ocasionar cambios importantes en su configuración genética que se traducen en mecanismos de resistencia y/o tolerancia [5]. Este fenómeno ha desencadenado el diseño de nuevas estructuras moleculares capaces de evitar la proliferación bacteriana, donde dichas estrategias no han sido suficientes para combatir las infecciones bacterianas, comunes en ambientes hospitalarios.
En este sentido, la implementación de nanomateriales denominados como “la nueva generación de agentes antimicrobianos”, ha confirmado bajo diferentes mecanismos, la inhibición de crecimiento bacteriano en tiempos cortos [6], por lo
que hasta el momento no se ha visualizado a largo plazo una posible resistencia bacteriana. De acuerdo con lo reportado por Niño-Martínez y col. [7], se han encontrado indicios de resistencia bacteriana al contacto con NPs, atribuidos a que, bajo ciertas condiciones experimentales, las bacterias pueden generar un comportamiento adaptativo. Algunos de los mecanismos observados se presentan a continuación:
1. Morfología de NPs. En este caso, las NPs inferiores a 10 nm tienen la capacidad de penetrar a través de la membrana plasmática e interactuar con el material intracelular. Por el contrario, las NPs mayores a 10 nm inicialmente pueden adherirse a la pared externa formando aglomerados, que ocasionan un desequilibrio y, por lo tanto, daño celular. En este sentido, las bacterias han demostrado para NPs de plata (Ag) y cobre (Cu) fenómenos de adaptación genética asociados a la sobreproducción de matriz extracelular (MEC), generando aglomeración de NPs y, en consecuencia, que el efecto antimicrobiano se vea comprometido.
2. Carga superficial de NPs. Bacterias como S. aureus (+) y P. aeruginosa (-) han demostrado que, bajo ciertas condiciones de estrés producido por micro dosis de NPs de óxidos metálicos, como dióxido de Titanio (TiO2) produzcan auto regulación de cargas en la estructura de la pared celular, por lo que al contacto con NPs se pueden disminuir la formación de complejos, lo que repercute en la alteración del efecto antimicrobiano.
3. Liberación de iones. La interacción de NPs y bacterias en un medio acuoso puede ocasionar alteraciones en la velocidad de disolución y cambios en la liberación de iones por parte de las NPs, donde a corto plazo puede generar un alto efecto antibacteriano, que pueda verse comprometido a largo plazo.
4. Estrés oxidativo. Se ha reportado que las NPs de Ag, TiO2 y CeO2 tienen la capacidad de producir radicales libres debido a la liberación de iones, los cuales son capaces de intervenir en diferentes procesos metabólicos, que desencadenan cambios en la respiración celular. En este sentido, las bacterias han demostrado la capacidad de auto regulación ante la presencia de dichos radicales, por lo que el daño por estrés oxidativo puede ser modulado.
5. Formación de biopelículas. En particular, bacterias Gram (-) tales como E. coli y P. aeruginosa han demostrado que, ante la exposición constante de NPs de Ag, son capaces de producir un exceso de flagelina, componente de la MEC. Como resultado de ello, las NPs se aglutinan en la superficie de la biopelícula, por lo que el contacto con las bacterias se restringe, ocasionando cambios en su comportamiento antibacteriano.
Los indicios relacionados con el comportamiento adaptativo de las bacterias al contacto con nanomateriales, han evidenciado que la estructura del microorganismo, la naturaleza química de las NPs y su concentración en el medio acuoso, son piezas clave para la generación de posibles mecanismos de tolerancia y/o resistencia. De acuerdo con las observaciones preliminares realizadas en nuestro grupo de investigación, el comportamiento antimicrobiano de nanomateriales se rige bajo una serie de procesos simultáneos, por lo que, bajo condiciones extremas de contacto, la probabilidad de que las bacterias generen tolerancia se disminuye. A pesar de ello, es importante destacar que el papel de las bacterias y sus alteraciones genéticas pueden ser pieza importante en el desarrollo de mecanismos adaptativos, por lo que es imposible descartar si a mediano o largo plazo, dichas bacterias serán capaces de generar resistencia bacteriana al contacto con nanomateriales.
*La Dra. Beatriz Liliana España Sánchez es Investigadora Catedrática CONACYT adscrita a la Coordinación de Salud en el CIDETEQ (Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica). Correo: lespana@cideteq.mx
Referencias bibliográficas
[1] L. Wang, C. Hu, L. Shao, The antimicrobial activity of nanoparticles: Present situation and prospects for the future, Int. J. Nanomedicine. 12 (2017) 1227–1249. https://doi.org/10.2147/IJN.S121956.
[2] G. Ibrahim Fouad, A proposed insight into the anti-viral potential of metallic nanoparticles against novel coronavirus disease-19 (COVID-19), Bull. Natl. Res. Cent. 45 (2021) 1–22. https://doi.org/10.1186/s42269-021-00487-0.
[3] A.P.A. Carvalho, C.A. Conte?Junior, Recent Advances on Nanomaterials to COVID?19 Management: A Systematic Review on Antiviral/Virucidal Agents and Mechanisms of SARS?CoV?2 Inhibition/Inactivation, Glob. Challenges. (2021) 2000115. https://doi.org/10.1002/gch2.202000115.
[4] S.M. Dizaj, F. Lotfipour, M. Barzegar-Jalali, M.H. Zarrintan, K. Adibkia, Antimicrobial activity of the metals and metal oxide nanoparticles, Mater. Sci. Eng. C. 44 (2014) 278–284. https://doi.org/10.1016/j.msec.2014.08.031.
[5] S. Bin Zaman, M.A. Hussain, R. Nye, V. Mehta, K.T. Mamun, N. Hossain, A Review on Antibiotic Resistance: Alarm Bells are Ringing, Cureus. 9 (2017). https://doi.org/10.7759/cureus.1403.
[6] B.L. Espana-Sanchez, C.A. Avila-Orta, L.F. Padilla-Vaca, E.D. Barriga-Castro, F. Soriano-Corral, P. Gonzalez-Morones, D.G. Ramirez-Wong, G. Luna-Barcenas, Early Stages of Antibacterial Damage of Metallic Nanoparticles by TEM and STEM-HAADF, Curr. Nanosci. 14 (2017) 54–61. https://doi.org/10.2174/2468187307666170906150731.
[7] N. Niño-Martínez, M.F. Salas Orozco, G.-A. Martínez-Castañón, F. Torres Méndez, F. Ruiz, Molecular Mechanisms of Bacterial Resistance to Metal and Metal Oxide Nanoparticles, Int. J. Mol. Sci. 20 (2019) 2808. https://doi.org/10.3390/ijms20112808
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