Frente al crecimiento de la aguda amenaza sanitaria que implica para la humanidad la progresiva resistencia a los antibióticos, Julieta Chiappero (35), investigadora de la Universidad Nacional de Río Cuarto (UNRC), busca antimicrobianos alternativos a partir de nanomateriales que absorben luz infrarroja, cuyo calor mata a los patógenos. Esta novedosa iniciativa le valió ser elegida en el marco del programa Jóvenes en Ciencia, del Gobierno de Córdoba, con dos subsidios de cien mil pesos cada uno.
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El proyecto se llama “Rol de la membrana plasmática en la inactivación bacteriana desencadenada por la acción combinada de nanomateriales y radiación NIR” y tiene como objetivo analizar el efecto bactericida de diferentes nanomateriales conductores per se o combinados con radiación NIR y de nanoclusters metálicos; a la vez que dilucidar el rol de la membrana plasmática en el efecto bactericida per se o por inactivación fototérmica.
La especialista explora el mecanismo de acción bactericida de los materiales propuestos sobre las bacterias Pseudomonas aeruginosa y Staphylococcus aureus, patógenos oportunistas que tienen la capacidad de desarrollar diversas infecciones en pacientes internados, cuyo sistema inmune se encuentra comprometido.
Remedios esenciales están perdiendo eficacia y eso atenta contra la seguridad de los pacientes. La resistencia microbiana incrementa los riesgos asociados a las intervenciones quirúrgicas que permiten salvar vidas y aumenta la precariedad de los sistemas de salud pública.
El uso indiscriminado de antibióticos a lo largo de los años ha desencadenado la aparición de microorganismos resistentes a estos medicamentos que combaten los gérmenes patógenos. Los microbios ya no responden a los fármacos creados para atacarlos. No se eliminan y continúan multiplicándose dentro del organismo. De esta manera, se convierten en los principales causantes de infecciones intrahospitalarias, que pueden dejar secuelas graves y hasta provocar la muerte.
Las dos bacterias estudiadas –Pseudomonas aeruginosa y Staphylococcus aureus– tienen la capacidad de producir un biofilm, es decir, un microambiente que se genera por etapas y que, cuando está terminado, las bacterias se encuentran protegidas del entorno por capas de EPS (exopolisacáridos) que además contienen lípidos, ADN extracelular y proteínas. Esta barrera las separa de cualquier infiltración de antibióticos que se haga en la zona, por lo que las infecciones generadas por este tipo de bacterias plantean un reto a la hora de desarrollar terapias antibióticas efectivas.
En los últimos años, las investigaciones se han focalizado en el desarrollo de antimicrobianos alternativos, que no presenten una gran resistencia, entre ellos la aplicación de nanomateriales, solos o combinados con radiación NIR –del espectro infrarrojo cercano–. Los nanomateriales tienen propiedades morfológicas más pequeñas que un micrómetro, son hasta cien mil veces menores que el diámetro de un cabello humano.
Este tipo de terapias utiliza nanomateriales capaces de absorber la luz del espectro NIR y convertirla en calor, por lo que, al estar en el mismo medio que el patógeno, se genera una acción bactericida mediada por altas temperaturas
–inactivación fototérmica–.
Toda radiación por encima de una longitud de onda de 700 nanómetros se llama infrarroja. El primer tramo es la radiación de onda corta, también conocida como radiación de calor o radiación infrarroja cercana (NIR, por sus siglas en inglés, hasta 2.500 nm). Un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro. Por otro lado, algunos nanomateriales generan su acción por disrupción de la membrana plasmática o por la formación de poros en ella (la membrana plasmática se encuentra en todas las células y separa el interior de esta del ambiente exterior).
Nanomateriales que matan a las bacterias
La acción de los nanomateriales desencadena una serie de respuestas en las bacterias que culmina con su muerte; por ejemplo: la presencia de especies reactivas del oxígeno, modificaciones en la fluidez, la composición lipídica y la polaridad de las membranas, cambios en la tasa metabólica y en la viabilidad, entre otras.
Julieta Chiappero es doctora en Ciencias Biológicas y desarrolla su actividad en el Departamento de Biología Molecular de la Facultad de Ciencias Exactas. Según señaló a Argentina Investiga, sus estudios hacen eje en la membrana plasmática, los nanomateriales y la inactivación de microorganismos y patógenos.
En el marco de este proyecto, la investigadora trabaja con el doctor en Ciencias Químicas Gustavo Monti, quien desarrolla los nanoclusters de plata y estudia sus características, mientras que ella se centra en la parte microbiológica, con eje en el mecanismo de acción bactericida de los materiales propuestos sobre bacterias Gram (-): P. aeruginosa y Gram (+): S. aureus, mediante la incubación de bacterias con diferentes concentraciones de los nanomateriales (per se) y en IF por la acción combinada de nanomateriales en presencia y en ausencia de radiación NIR.
Pseudomonas aeruginosa es un bacilo Gram negativo aerobio, considerado un patógeno oportunista. Un microorganismo altamente versátil, capaz de tolerar condiciones diminutas de oxígeno. Puede sobrevivir con bajos niveles de nutrientes y crecer en rangos de temperatura de 4 a 42°C.
Por su parte, Staphylococcus aureus pertenece a la familia Staphylococcaceae. Es Gram positivo, aunque las cepas viejas o los microorganismos fagocitados se tiñen como Gram negativo. Tiene forma de coco y puede aparecer en parejas, en cadenas o en racimos.
Los nanoclusters metálicos son un nuevo tipo de nanomaterial fotoluminiscente que, gracias a sus características particulares, se convierten en una nueva clase de fluoróforos biocompatibles, útiles en aplicaciones para marcaje biológico, lo cual es de gran interés para la determinación de diferentes moléculas biológicas.
La investigación se extenderá a lo largo de los próximos doce meses y se lleva a cabo en el Instituto de doble dependencia de Biotecnología Ambiental y Salud (INBIAS, Conicet-UNRC). Con los resultados, se espera establecer la capacidad bactericida de los nanomateriales y dilucidar el protagonismo de la membrana plasmática como blanco de acción bactericida de estos, para así poder desarrollar mejores estrategias de aplicación de terapias que involucren estos materiales, preferentemente en bajas dosis.
–¿Qué significa haber sido seleccionada en el marco de Jóvenes en Ciencia?
–Ser elegida en este marco me indica que la problemática planteada y la forma de abordarla son pertinentes, tanto para el Gobierno como para la UNRC. El monto del subsidio de Córdoba es de 100.000 pesos y estamos esperando un refuerzo presupuestario de igual cifra.
–¿Esta línea de trabajo es nueva?
–Sí. Es una nueva línea en la que confluyen las áreas de experticia tanto de mi directora de posdoctorado, también tutora de este proyecto, la doctora Inés Yslas; y de mi codirectora, la doctora Natalia Paulucci. El área de conocimiento de la doctora Yslas comprende las nanociencias relacionadas con el efecto antimicrobiano proporcionado por diferentes nanomateriales, solos o mediados por terapia fototérmica, y la doctora Paulucci está enfocada en los estudios de la membrana plasmática, relacionados con la supervivencia y los mecanismos adaptativos de diferentes cepas de rizobios de importancia agronómica frente a diferentes tipos de estrés. Mi línea está centrada en abordar la problemática de las infecciones bacterianas a través del estudio del rol de la membrana en la acción bactericida de los nanomateriales per se o en combinación con la TFT - terapia fototérmica-.
–¿De qué nanomateriales conductores van a analizar el efecto bactericida?
–El nanomaterial conductor es a base del polímero polipirrol, que absorbe energía en NIR y tiene capacidad de emitir calor. Los otros nanomateriales que probaremos se llaman nanoclusters –por su tamaño más pequeño que una nanopartícula–. Son de plata.
–¿Puede explicar el proceso?
–Está basado en la capacidad del nanomaterial de absorber energía en un rango del espectro de la luz –se usa infrarrojo cercano NIR– y emitirla en forma de calor al medio en el que está inmerso –en este caso, el medio de cultivo con microorganismos patógenos–, calentando las inmediaciones. La elevada temperatura produce la muerte de los microorganismos. Si bien ya existen estudios previos con otros nanomateriales, es un área que sigue siendo novedosa.
–¿No se conoce ahora el rol de la membrana plasmática en el efecto bactericida?
–Esto es lo más novedoso del estudio. Se conoce que los nanomateriales tienen efecto bactericida y existen hipótesis planteadas acerca de cuáles serían los mecanismos, pero no se conocen los mismos, ni cuál es el rol que cumple la membrana plasmática del microorganismo como elemento protector.
–¿Es diferente ese rol de la membrana plasmática cuando el nanomaterial actúa por sí mismo que cuando es por medio de inactivación fototérmica?
–Suponemos que pueden compartir mecanismos de inactivación, pero no lo sabemos con certeza.
–¿Cómo es el proceso para estudiar el mecanismo de acción bactericida de los materiales propuestos?
–El proceso implica muchos pasos, desde la determinación de la dosis de nanomaterial con capacidad antimicrobiana y del tiempo de exposición necesario para que eso ocurra, hasta llegar al estudio de los cambios observados en la membrana –modificación de la composición, polaridad, generación de poros–, analizar la liberación de proteínas al medio, la generación de especies reactivas del oxígeno, entre otros.
–¿Por qué eligieron centrarse en los patógenos Pseudomonas aeruginosa y Staphylococcus aureus?
–Porque son patógenos oportunistas, que producen infección generalmente en personas con el sistema inmune comprometido. Son causales de gran parte de las infecciones intrahospitalarias y resistentes a los antibióticos más usuales.
–¿Prevén que se pueda aplicar en otros patógenos?
–Los estudios se realizan en microorganismos modelo. En general, pueden extrapolarse resultados a otros patógenos, siempre y cuando se hagan algunas pruebas y se obtengan resultados similares.
–¿Se incubarán bacterias con diferentes concentraciones de los nanomateriales? ¿En qué proporciones?
–Las proporciones son en microgramos por mililitro de nanomaterial. La incubación implica mezclar un inóculo del patógeno con el nanomaterial a diferente concentración e incubar a 37°C por un tiempo determinado para asegurar su incorporación o la interacción del nanomaterial con la población bacteriana.
–¿Usan fluorescencia?
–Usamos nanoclusters que tienen una propiedad intrínseca que es que fluorecen cuando son excitados a cierta longitud de onda. Eso nos permite verlos mediante técnicas de fluorescencia, por ejemplo, microscopía, citometría de flujo, entre otras.
–¿Cómo es la acción combinada de nanomateriales en presencia y en ausencia de radiación NIR?
–Es una parte propia de la metodología, en este caso queremos comprobar que el nanomaterial por sí solo no afecta a los microorganismos, es decir, que sólo se produce el efecto bactericida cuando media la radiación NIR –por aumento de la temperatura–.
–¿Qué equipamiento hace falta para el estudio?
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–Requiere de equipamiento básico de un laboratorio de cultivo de bacterias, elementos tales como estufas de incubación, baño térmico con agitación y específicamente una fuente de irradiación láser o led, lo cual es empleado en nuestros estudios, con un rango de radiación perteneciente a NIR, entre los más específicos.