Nanopartículas como bomba de eflujo e inhibidor de biopelícula para rejuvenecer el efecto bactericida de los antibióticos convencionales

Nanopartículas como inhibidores de la bomba de eflujo

Se han realizado diversos estudios para determinar el modo de acción de las nanopartículas como agente bactericida. Sin embargo, quedan por resolver los diversos puntos sobre el mecanismo de acción inhibidora de las nanopartículas sobre los microorganismos. Uno de los posibles mecanismos de la actividad bactericida de las nanopartículas se atribuye a la inhibición de las bombas de eflujo. Banoee y col. en 2010 adujeron un nuevo papel inhibidor de la bomba de eflujo de las nanopartículas de óxido de zinc en las bombas de eflujo NorA de S. aureus . Han descubierto un aumento del 27 y 22% en la zona de inhibición de ciprofloxacino en presencia de nanopartículas de óxido de zinc en S. aureus y E. coli , respectivamente [16]. Posteriormente, Padwal et al. en 2014 propuso el concepto de uso sinérgico de nanopartículas de óxido de hierro (magnetita) recubiertas con ácido poliacrílico (PAA-MNP) con rifampicina contra Mycobacterium smegmatis con énfasis en el papel inhibidor de eflujo de PAA-MNP. Han utilizado una fusión de PAA-MNP y rifampicina en M. esmegmatis lo que resultó en una inhibición del crecimiento cuatro veces mayor en contraste con la rifampicina sola. Puede explicarse por el triple aumento de la acumulación de antibióticos en el interior de las células bacterianas, como se ha demostrado con estudios de transporte en tiempo real en un sustrato de bomba de eflujo común, el bromuro de etidio [17].

Hay dos posibles mecanismos disponibles a través de los cuales las nanopartículas metálicas pueden impedir el funcionamiento de las bombas de eflujo. Un posible mecanismo es la unión directa de nanopartículas metálicas al sitio activo de las bombas de salida, bloqueando la extrusión de antibióticos fuera de las células. Las nanopartículas metálicas pueden actuar aquí como un inhibidor competitivo de antibióticos para el sitio de unión de las bombas de salida [18]. Otro posible mecanismo es a través de la alteración de la cinética de salida. El efecto de las nanopartículas de plata para la interrupción de la cinética de salida de la bomba de salida MDR, MexAM-OPrM, ya se ha examinado en P. aeruginosa [19]. Se puede sugerir que las nanopartículas metálicas pueden provocar la terminación del gradiente de protones seguida de la interrupción del potencial de membrana o la pérdida de la fuerza motriz del protón (PMF), lo que da como resultado el deterioro de la fuerza impulsora esencial para la actividad de la bomba de eflujo [18, 20, 21]. Sin embargo, la principal limitación en la unión directa de nanopartículas con bombas de eflujo es su pequeño tamaño y reactividad. Además, las nanopartículas también pueden unirse con otras proteínas de membrana en lugar de interactuar simplemente con las bombas de salida, y debido a eso, la posibilidad de que las nanopartículas se asocien particularmente con un transportador de salida cada vez en medio de la exposición es restringida.

Christena y col. ha demostrado anteriormente en sus estudios sobre el papel inhibidor de la salida de nanopartículas de cobre en la bomba de salida de NorA, en parte debido a la generación de iones Cu (II) a partir de nanopartículas de cobre. Este efecto parcial directamente de las nanopartículas de cobre puede implicar la interacción directa de las nanopartículas con las bombas de salida, lo que respalda la primera hipótesis, mientras que el efecto parcial debido a la liberación de iones Cu (II) podría indicar la interrupción del potencial de membrana y la perturbación del funcionamiento de las bombas de salida, lo que respalda la segunda hipótesis [9]. Chatterjee y col. también han revelado la pérdida de potencial de membrana de E. coli células de -185 a -105 y -75 mV después de cultivar células bacterianas en presencia de 3,0 y 7,5 µg / ml de concentración de nanopartículas de cobre, respectivamente, durante 1 h [22]. El mecanismo explícito de la función inhibidora del flujo de las nanopartículas sigue siendo desconcertante y requiere más investigación.

Nanopartículas como agente anti-biofilm

La biopelícula proporciona resistencia a las bacterias, pero este desafío se intensifica si la biopelícula es producida por bacterias resistentes a los medicamentos [23]. Numerosos estudios han demostrado la tremenda capacidad de las nanopartículas metálicas para desintegrar la barrera de la biopelícula gruesa a través de los diversos modos de acción [24, 25, 26, 27]. El poder de penetración de las nanopartículas metálicas siempre sigue siendo una característica útil para emplearlas contra las infecciones por biopelículas [28, 29, 30]. Esta fusión única de dos modalidades diversas, nanopartículas y antibióticos, allanó una nueva forma de combatir contra las bacterias MDR o EDR productoras de biopelículas.

Uno de los elocuentes estudios fue realizado por Gurunathan et al. para dilucidar el efecto bactericida y anti-biofilm aumentado de diferentes antibióticos con nanopartículas de plata. El uso simbiótico de ampicilina y nanopartículas de plata mejoró en gran medida la inhibición de la biopelícula en bacterias Gram negativas y Gram positivas en un 70 y 55%, respectivamente, en contraste con aproximadamente un 20% de inhibición de la biopelícula después del tratamiento con nanopartículas de plata solamente. De manera similar, la aplicación combinada de nanopartículas de plata y vancomicina da como resultado una inhibición de la biopelícula del 55 y 75% en bacterias Gram negativas y Gram positivas, respectivamente [10]. Estos resultados sugieren el uso alternativo de nanopartículas con antibióticos para inducir la inhibición de la biopelícula, lo que abre las posibilidades clínicas de una nueva terapia.

También se observó un efecto similar para las nanopartículas de cobre y las nanopartículas de óxido de zinc que se utilizan sinérgicamente con antibióticos. Según este estudio, la unificación de nanopartículas de cobre y antibióticos mostró una actividad anti-biofilm más efectiva en contraste con la combinación de nanopartículas de óxido de zinc y antibióticos tanto en bacterias Gram positivas como Gram negativas. Esta mayor inhibición con nanopartículas de cobre puede deberse a la extrusión de iones Cu (II) generados a partir de nanopartículas. Las nanopartículas de cobre y las nanopartículas de óxido de zinc junto con un antibiótico específico han mostrado un efecto anti-biopelícula mejorado en presencia de glucosa al 2%, revelando un aumento de las interacciones de unión entre las nanopartículas metálicas y el antibiótico en presencia de glucosa [9]. El recubrimiento de nanopartículas metálicas con carbohidratos puede transmogrificar la interacción nanopartícula-célula, la captación celular y la citotoxicidad [31].

La alianza entre los sistemas de eflujo y la detección de quórum

Las bombas de eflujo juegan un papel importante en la señalización de biomoléculas de célula a célula para ayudar a la formación de biopelículas. Un mecanismo probable para combatir la resistencia a los medicamentos es emplear inhibidores de la bomba de eflujo para bloquear el mecanismo de detección de quórum, lo que en última instancia obstaculiza la formación de biopelículas. Ya se han realizado varios estudios para mostrar el papel de las bombas de eflujo en la detección de quórum [23, 32,33,34,35,36,37,38,39]. La relación mecanicista explícita entre las bombas de eflujo y la formación de biopelículas aún no se comprende completamente. Una justificación viable podría ser el papel de las bombas de eflujo para extruir los componentes críticos requeridos en la detección de quórum. Este aspecto funcional ya ha sido propuesto en estudios anteriores [40,41,42,43,44,45,46]. El deterioro en la extrusión de la molécula de señalización a través de la aplicación de inhibidores de la bomba de salida puede afectar el proceso de detección de quórum o señalización de célula a célula [47, 48] (Fig. 1).

Uso de nanopartículas metálicas como inhibidor de la bomba de salida para impedir la extrusión de moléculas de señalización con detección de quórum ( círculo rojo relleno ) fuera de las células bacterianas con la ayuda de nanopartículas metálicas ( círculo relleno amarillo ) para bloquear la bomba de eflujo ( cilindro lleno ) lo que resulta en una unión reducida de la molécula de señalización a su receptor ( cilindro vacío ) y obstáculo en la formación de biopelículas

Otra justificación viable podría ser el papel de las bombas de eflujo para exportar subproductos tóxicos y de desecho fuera de las celdas. Las células que se metabolizan rápidamente en la biopelícula pueden depender del sistema conductor para extruir el subproducto nocivo y de desecho resultante de diversas actividades bioquímicas que tienen lugar dentro de las células bacterianas [49]. Este aspecto funcional también ha sido propuesto en el estudio realizado por Kvist et al. en 2008 [50]. El empleo de inhibidores de la bomba de eflujo para bloquear este sistema conductor puede resultar en una mayor acumulación de subproductos tóxicos dentro de las células bacterianas, reduciendo finalmente la formación de biopelículas (Fig. 2).

Uso de nanopartículas metálicas como inhibidor de la bomba de salida para impedir la extrusión de subproductos tóxicos de reacciones bioquímicas ( círculo rojo relleno ) fuera de las células bacterianas con la ayuda de nanopartículas metálicas ( círculo relleno amarillo ) para bloquear la bomba de eflujo ( cilindro lleno ) que dificulta la formación de biopelículas

Algunos estudios también han sugerido que el detrimento de las bombas de salida afecta la agregación celular al transmutar las propiedades de la membrana celular y, en última instancia, afectar la formación de biopelículas [47]. Ya se han realizado numerosos estudios para deducir el efecto de las nanopartículas en combinación con antibióticos como agente antibacteriano y anti-biofilm mejorado. La Tabla 1 contiene un resumen de estos estudios.

Uno de los estudios recientes ha sido realizado por Barapatre et al., Deduciendo una actividad antibacteriana y anti-biopelícula sinérgica mejorada de nanopartículas de plata en combinación con amikacina, kanamicina, oxitetraciclina y estreptomicina antibiótico contra bacterias Gram positivas y Gram negativas. Al centralizarse sobre la química verde, las nanopartículas de plata se sintetizaron mediante la reducción enzimática del nitrato de plata mediante la participación de dos hongos que degradan la lignina, a saber, Aspergillus flavus y Emericella nidulans . Se sugirió utilizar nanopartículas como sonda con antibióticos convencionales para aumentar la actividad antibacteriana y anti-biofilm contra microbios patógenos [51]. Se ha informado que la interrupción de la función dependiente de ATP, como la inhibición de la bomba de salida, es uno de los posibles mecanismos del efecto sinérgico de los antibióticos y las nanopartículas metálicas [52].

Varios informes han demostrado con éxito la aplicación de nanopartículas contra dos mecanismos diversos de resistencia bacteriana, a saber, las bombas de salida de MDR y la formación de biopelículas, a través de las cuales las bacterias evaden la acción de los antibióticos convencionales. Esta revisión representa un enfoque nuevo y prometedor para emplear nanopartículas metálicas en sinergia con antibióticos como inhibidor de la bomba de salida y agente anti-biopelícula, ambos para combatir la resistencia a los antibióticos.

Conclusiones

En el escenario actual, existe la necesidad de un enfoque innovador para controlar las infecciones por MDR. Las bombas de eflujo desempeñan funciones duales, una es extruir antibióticos y la otra es ayudar en la formación de biopelículas mediante la expulsión de biomoléculas importantes para la detección de quórum, lo que en última instancia contribuye a la virulencia de patógenos bacterianos. El bloqueo de las bombas de eflujo MDR a través de nanopartículas será útil en ambas direcciones; bloquea la salida de antibiótico fuera de las células bacterianas y, por lo tanto, aumenta el efecto de los antibióticos convencionales, y también bloquea la salida de biomoléculas sensibles al quórum y, por lo tanto, disminuye la capacidad de formación de biopelículas de las células bacterianas. Este enfoque reduce la necesidad de realizar nuevas investigaciones para investigar un nuevo inhibidor de la bomba de salida o un nuevo antibiótico, pero fomenta el uso de nanopartículas metálicas (empleadas como inhibidor de la bomba de salida) en sinergia con los antibióticos convencionales. También ayudará a reducir el costo, el tiempo y el problema de citotoxicidad de las nanopartículas en las líneas celulares humanas que pueden soportar una menor concentración de nanopartículas metálicas. Sería un enfoque novedoso para apuntar a las bombas de eflujo, reduciendo las señales de detección de quórum para suprimir la formación de biopelículas.

Perspectivas futuras

La evolución bacteriana ha dado lugar a la adopción de varios mecanismos para revertir el efecto bactericida de los antibióticos y el sistema inmunológico del huésped. Conduce a la generación de infecciones multirresistentes que reflejan una necesidad urgente de descubrir nuevos enfoques para luchar contra las infecciones MDR o XDR. Con la aparición de la resistencia a los antibióticos, el uso simbiótico de nanopartículas metálicas con antibióticos convencionales ofrece una mejor alternativa para luchar contra la resistencia a los antibióticos. La aplicación de nanopartículas como inhibidores de la bomba de eflujo puede ser de gran importancia en dos direcciones diversificadas pero terminando en un solo resultado, es decir, para luchar contra las infecciones bacterianas. Aún debe investigarse el mecanismo exacto de acción de las nanopartículas para bloquear las bombas de salida. Es probable que la interrupción de PMF sea un mecanismo indirecto probable por el cual las nanopartículas podrían inhibir la salida. Uno de los principales desafíos con este enfoque está relacionado con la reactividad de las nanopartículas que pueden hacer que se asocien con otras proteínas de membrana en lugar de con las proteínas transportadoras de salida. Esto se puede superar preparando nanopartículas dirigidas uniéndolas con anticuerpos monoclonales anti-eflujo o lectinas. Esta inhibición adecuada los calibrará para enfocarse en un lugar en particular. Otro desafío considerable puede ser el problema de la toxicidad, utilizando este enfoque debido a la gran relación superficie / volumen de nanopartículas de pequeño tamaño que deben optimizarse antes de la validación final.

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