Nanopartículas microbicidas

Escrito por Jonathan Eligio Arreola Díaz y Luis Antonio Gutiérrez Bolaños

Las bacterias son organismos microscópicos que suelen medir entre 0.5 a 5 micrómetros (µm) y ¡Están en todas partes!, en el aire, en al agua, en la tierra y hasta alimentándose insaciablemente de nuestro cuerpo, pero algunos de ellos forman parte fundamental en nuestros procesos biológicos. Por ejemplo, las que habitan en nuestro sistema digestivo y aquellas que son las responsables de enfermedades como neumonía, septicemia o meningitis y que pueden causarnos la muerte. Hoy sabemos que la forma más eficaz para eliminar a estas bacterias es el uso de antibióticos, pero a medida que se busca como desaparecerlas o controlarlas, les ayudamos a que en cierta medida se adapten genéticamente a través de mutaciones que les permiten defenderse del efecto bactericida de un antibiótico, haciéndolas mucho más resistentes y reduciendo las posibilidades de eliminarlas.

El Centro para el Control y Prevención de Enfermedades y el Instituto Nacional de la Salud de Estados Unidos, reportaron en 2019 la muerte de más de 35 mil personas por causa de enfermedades provocadas por bacterias resistentes a antibióticos. Por otra parte, La Sociedad Española de Enfermedades Infecciosas y Microbiología Clínica (SEIMC), ha estimado la muerte de 35,400 personas en 2018, lo que indica que en estas cifras fluctúan las muertes por infecciones bacterianas en los años recientes. Las bacterias con mayor urgencia por tratar son Neisseria gonorrhoeae, Clostridioides difficile y diversas especies de la familia Enterobacteriaceae, entre otras más que se presentan como las principales.

 

¿Por qué la nanotecnología es una opción contra este tipo de bacterias?

La nanotecnología ha llegado a subsanar muchas de las desventajas que se tienen ante la eliminación de bacterias resistentes, pues su ventaja está en que podremos manipular la materia a una escala nanométrica, es decir, 10-9 (0.000000001) veces más pequeña que el tamaño de una bacteria para diseñar nanopartículas especializadas que ataquen sus puntos débiles y así controlarlas. Algunos ejemplos de nanopartículas antimicrobianas son las que se sintetizan con plata (Ag), oro (Au), óxido de zinc (ZnO), óxido de calcio (CaO), dióxido de titanio (TiO2), dióxido de silicio (SiO2), óxido de cobre (CuO) y el óxido de magnesio (MgO), entre otros ejemplos. Algunas de estas, han mostrado gran efectividad ante la inhibición bacteriana.

Una gran ventaja sobre el uso de los nanomateriales es la facilidad de integrarlos en superficies, pues tienen la característica de que su efecto bactericida puede prolongarse dependiendo de la manera en que se sintetice el material. Así, su aplicación se ve mayormente aplicada en áreas de atención hospitalaria, en la conservación de alimentos, en la elaboración de objetos de bioseguridad o seguridad sanitaria, que son muy pertinentes en época de pandemia como la de Covid-19. Por lo tanto, el desarrollo de recubrimientos o dispersión a una concentración de nanomateriales amigable para la salud con efecto antimicrobiano, es una de las premisas para la implementación de la nanotecnología en la lucha no solo contra bacterias, sino también contra los virus.

 

¡Nanopartículas al ataque!

Con el uso de nanopartículas se ha logrado eliminar a microorganismos potencialmente infecciosos y esto ha llamado la atención de muchas áreas de investigación en todo el mundo. Algunos mecanismos o sitios de acción por los cuales estas nanopartículas tienen efecto sobre bacterias son el limitar sus capacidades metabólicas de supervivencia y el desintegrar la pared celular en sus componentes más sencillos, en los que hay que considerar las siguientes condiciones para lograr dicho efecto:

• Las nanopartículas antimicrobianas contienen iones metálicos. Dicha carga eléctrica interacciona con los grupos funcionales de las proteínas (grupo amino-NH), grupos carboxilo (–COOH) y ácidos nucleicos, afectando la función enzimática, la estructura celular, lo cual origina un desbalance en la bacteria. 

• El estrés oxidativo es provocado por Especies Reactivas de Oxígeno (ERO), como el radical superóxido (O2), el radical hidroxilo (OH), el peróxido de hidrógeno (H2O2) y el oxígeno molecular (O2). Las ERO desestabilizan la integridad de los enlaces bioquímicos de los principales componentes de la cubierta bacteriana y afectarán la replicación de su material genético. 

• Los mecanismos no oxidativos son consecuencia de la concentración de nanopartículas que origina una interrupción del metabolismo de aminoácidos, lípidos y la generación de energía en forma de ATP, y también de su capacidad de replicación, así como la respuesta ante el ataque de las nanopartículas.

 

Nanopartículas de Óxido de Zinc (ZnO)

Las nanopartículas de ZnO se caracterizan por su estabilidad química y por tener una baja toxicidad en células humanas; sin embargo, tienen un efecto bactericida en bacterias Gram-positivas y Gram-negativas, así como en las esporas de hongos resistentes a altas temperaturas y altas presiones. Podemos mencionar que las nanopartículas de ZnO tienen efecto sobre Eschecrichia coli y Staphylococcus aureus. Se conoce que la actividad antibacteriana de las nanopartículas de ZnO es inversamente proporcional a su tamaño y directamente proporcional a su concentración. La presencia de estas nanopartículas conlleva a la generación de un ambiente ácido en el interior de las bacterias, donde las nanopartículas se disuelven formando iones Zn+2, que se unen a las biomoléculas dentro de la célula bacteriana inhibiendo su crecimiento e induciendo el estrés celular.

 

¡La nanotecnología es lo de hoy!

La realidad es que la nanotecnología es un tema de estudio cada vez más frecuente entre la comunidad científica. Su relevancia es tal, que puede ser la clave para sobrellevar los tiempos en los que vivimos actualmente, al centrarse en estudiar los mecanismos específicos para atacar virus y bacterias. Con la llegada de virus nuevos y bacterias multirresistentes, las nanopartículas de óxidos metálicos se presentan como un candidato excepcional para el control de estos microbios. Hasta ahora se puede decir que las nanopartículas con efecto antiviral han logrado inhibir el virus de la influenza H1N1, ser empleadas en tratamientos antivirales contra el Virus de la Inmunodeficiencia Humana (VIH), el virus de la hepatitis C y virus del herpes simple tipo 1 y tipo 2. Todo esto, es debido a que las nanopartículas antivirales promueven la inhibición de su recubrimiento viral (cápside), su capacidad de inhibir la actividad de la ARN polimerasa y de su material genético.

Si bien es cierto que las investigaciones en años recientes se han centrado en la prevención y pretratamiento de infecciones causadas por E. coli, S. aureus y Pseudomonas aeruginosa, la nanotecnología tiene el potencial para posicionarse como una herramienta biotecnológica de las más importantes del siglo XXI. La nanotecnología es la clave para combatir problemas de talla mundial atacándolos desde una perspectiva nanométrica, como la infección causada por bacterias multirresistentes a los antibióticos. Sin lugar a dudas, ¡la nanotecnología ha llegado para quedarse!

Para Saber más: 

Milovanovic, M., Arsenijevic, A., Milovanovic, J., Kanjevac, T. y Arsenijevic, N. (2017). Nanoparticles in Antiviral Therapy. En Mihai Grumezescu A., Antimicrobial Nanoarchitectonics, University of Kragujevac, Kragujevac, Serbia, Chapter 14, 383-410.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780323527330000148?via%3Dihub

 

Siddiqi, K. S., ur Rahman, A. Tajuddin y Husen, A. (2018). Properties of Zinc Oxide Nanoparticles and Their Activity Against Microbes. Nanoscale Research Letters, 13(141), s.p. https://doi.org/10.1186/s11671-018-2532-3

Vazquez-Muñoz, R. y Huerta-Saquero, A. (2014). Nanomateriales con actividad microbicida: una alternativa al uso de antibióticos. Mundo Nano. Revista Interdisciplinaria, 7(13), 37-47. https://doi.org/10.22201/ceiich.24485691e.2014.13.48707

 

Zavaleta-Espejo, G., Saldaña Jiménez, J., et al. (2019). Efecto antibacteriano de nanopartículas de ZnO sobre Staphylococcus aureus y Salmonella typhi. Arnaldoa, 26(1), 421-430. https://doi.org/10.22497/arnaldoa.261.26122

 

Jonathan Eligio Arreola Díaz. Estudiante de Licenciatura en Ingeniería en Nanotecnología de la Universidad de la Ciénega del Estado de Michoacán de Ocampo.

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Luis Antonio Gutiérrez Bolaños. Estudiante de Licenciatura en Ingeniería en Nanotecnología de la Universidad de la Ciénega del Estado de Michoacán de Ocampo.

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