Alternativas nanotecnológicas para la inhibición de biopelículas bacterianas

Evelin Martínez-Benavidez*, Angélica M. Vergara-Pineda, Yadira Lugo-Melchor.

Unidad de Servicios Analíticos y Metrológicos, Centro de Investigación y Asistencia en Tecnología y Diseño del Estado de Jalisco, A. C. (CIATEJ).

*emartinez@ciatej.mx

Palabras clave: Biopelículas, bacterias, nanotecnología, nanopartículas, antibacterianos.

Imagina que las bacterias, en lugar de vivir como nómadas solitarias, aprendieran a construir ciudades fortificadas. Ciudades con una muralla impenetrable, con sistemas de comunicación eficientes y una extraordinaria capacidad para resistir los ataques. Esto no es ciencia ficción; es la realidad de las biopelículas, uno de los desafíos más importantes de la medicina moderna. Estas comunidades bacterianas son responsables de infecciones persistentes, difíciles de tratar y están detrás de una buena parte de la crisis global de resistencia a los antibióticos. ¿Cómo podemos combatir a un enemigo que ha construido un búnker prácticamente indestructible? La respuesta podría estar en lo extraordinariamente pequeño: en la nanotecnología.

¿Qué son exactamente las biopelículas y por qué son tan peligrosas?

Las biopelículas bacterianas constituyen uno de los fenómenos microbiológicos más complejos y clínicamente relevantes de la medicina contemporánea. Una biopelícula es mucho más que un simple cúmulo de bacterias. Es un ecosistema complejo y organizado que se adhiere a superficies tanto vivas o como inertes; por ejemplo, pueden formarse en una válvula cardiaca, en un catéter médico, en el esmalte de nuestros dientes (como la placa dental) o incluso en una roca de río. Las bacterias que la componen no actúan de forma independiente si no que se pueden organizar como un tejido multicelular.

Estas comunidades microbianas estructuradas, se encuentran encapsuladas en una matriz de sustancias poliméricas extracelulares (EPS) compuesta de azúcares, proteínas y ácido desoxirribonucleico (ADN), y actúa como un escudo multifuncional:

1. Barrera física: Dificulta enormemente la penetración de antibióticos y de las células de nuestro sistema inmunológico.
2. Comunicación y cooperación: Dentro de esta estructura, las bacterias se comunican mediante señales químicas, proceso llamado detección de quórum (quorum sensing). Esto les permite actuar de forma coordinada, como un solo organismo. Pueden incluso reducir su metabolismo para entrar en un estado "latente" o dormido, lo que las hace invulnerables a antibióticos. En el mejor de los casos estos antibióticos solo pueden atacar a bacterias metabólicamente activas y en crecimiento.
3. Intercambio genético: La proximidad física facilita un trueque muy peligroso: el intercambio de genes de resistencia. Una bacteria que sobreviva a un antibiótico puede pasar las instrucciones genéticas para esa resistencia a sus vecinas, lo que conduce a la aparición de super bacterias altamente virulentas y resistentes a los antibióticos.

De acuerdo con lo anterior, las infecciones bacterianas asociadas a biopelículas se han convertido en un importante desafío para la salud pública debido a su persistencia y a la creciente resistencia a los tratamientos convencionales.

La meticulosa construcción de una fortaleza bacteriana.

La formación de biopelículas es un proceso estratégico que ocurre en múltiples etapas, abarcando la adhesión, la maduración y, finalmente, el desprendimiento o dispersión. Inicialmente, las bacterias se adhieren a una superficie de forma reversible y a medida que la biopelícula madura, las bacterias se adhieren irreversiblemente, proliferan y generan una matriz polimérica que envuelve la colonia. Durante esta fase de maduración, las biopelículas pueden alcanzar un grosor considerable, llegando en ocasiones a 50 μm, y evolucionar hasta convertirse en intrincadas estructuras tridimensionales que se asemejan a hongos o torres. El proceso de maduración está determinado por diversos factores, como la movilidad celular, la señalización celular, la producción de sustancias poliméricas extracelulares y las condiciones ambientales, todos estos contribuyen a la arquitectura de la biopelícula.

Comprender este ciclo es crucial, porque cada etapa representa una posible ventana de oportunidad terapéutica. La etapa ideal para atacar es la inicial, antes de que la fortaleza esté completamente construida. Por lo tanto, la detección temprana y la búsqueda de tratamientos nuevos y alternativos son esenciales para tratar y suprimir las bacterias asociadas a las biopelículas.

¿Cómo inhibir la formación de biopelículas?

Ante este desafío, los antibióticos tradicionales, diseñados para bacterias libres, suelen fracasar. Aquí, es donde entra en juego la nanotecnología, la ciencia de manipular la materia a una escala increíblemente pequeña (un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro). La nanotecnología se ha consolidado como una poderosa herramienta en la medicina moderna. Particularmente, muchos grupos de investigación están interesados en el desarrollo de nanosistemas para la liberación de fármacos. La síntesis de nanopartículas antimicrobianas se considera una estrategia prometedora para el desarrollo de nuevos agentes controladores de biopelículas. Debido a sus propiedades morfológicas y fisicoquímicas ajustables, como el tamaño, la forma y la química de la superficie, se puede facilitar la administración localizada de agentes antimicrobianos, alterar la integridad estructural y penetrar las matrices de las biopelículas.

Diferentes vehículos para la misión

La investigación sobre “vehículos” a nano escala para administrar compuestos antimicrobianos abarca varias categorías: nanopartículas inorgánicas o metálicas (como nanopartículas de oro, plata y sílice), nanopartículas poliméricas [incluidas las nanopartículas de quitosano, ácido hialurónico y ácido poli(láctico-co-glicólico) (PLGA), etc], nanopartículas basadas en lípidos (como liposomas, nanopartículas lipídicas sólidas) y portadores lipídicos nanoestructurados y otras nanoestructuras como dendrímeros, nanodots de carbono y puntos cuánticos.

Específicamente, las nanocápsulas poliméricas pueden presentar numerosas ventajas sobre los antimicrobianos convencionales, como una mayor estabilidad farmacológica, biodisponibilidad, solubilidad y liberación sostenida. La liberación del fármaco se puede controlar variando el tipo de polímero, las composiciones y el peso molecular. Por otra parte, se ha demostrado que las nanopartículas poliméricas presentan una potente actividad antibacteriana y anti-biopelículas contra bacterias Gram positivas y Gram negativas. Las nanopartículas poliméricas pueden inhibir el crecimiento bacteriano, actuar sobre la biosíntesis de la membrana celular y prevenir la formación y dispersión de biopelículas.

La promesa de la naturaleza potenciada por lo nano

Un enfoque particularmente prometedor combina la nanotecnología con compuestos naturales antimicrobianos. La naturaleza es una fuente rica de moléculas con potentes efectos antibacterianos, como polifenoles (presentes en el té verde, vegetales, frutas, etc.), terpenoides (de muchas plantas aromáticas), alcaloides y ciertos péptidos. Sin embargo, muchos de estos compuestos son inestables, se degradan rápidamente en el cuerpo o no logran concentrarse suficiente en el sitio de la infección. Por lo que se requiere del diseño de sistemas de administración de compuestos activos para mejorar su estabilidad, la captación celular y la liberación controlada, maximizando así sus efectos biológicos.

Esta sinergia entre lo natural y lo nanotecnológico representa una de las fronteras más innovadoras en la lucha contra las infecciones resistentes. Reconociendo la magnitud de este problema de salud pública, en el CIATEJ estamos comprometidos con el desarrollo de estas estrategias terapéuticas innovadoras. Nuestro trabajo se centra en el diseño, síntesis y evaluación de nanosistemas particularmente basados en polímeros, lípidos y proteínas, cargados con agentes antimicrobianos tanto sintéticos como naturales.

Agradecimientos

Proyecto apoyado por la “SECIHTI” en el año 2025. CBF-2025-1-4173.

Referencias

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