Nanomáquinas antibióticas

Robots basados en sílice, impulsados por la catálisis de la enzima ureasa y que trasladan péptidos antimicrobianos. Capaces de atacar específicamente a las bacterias en el lugar de la infección, evitando no sólo efectos indeseados, sino una de las grandes preocupaciones del mundo de la medicina en la actualidad: la creciente resistencia a los anbitióticos. 

Son las nanomáquinas antimicrobianas desarrolladas por el Machine Biology Group, liderado por el investigador César de la Fuente, en colaboración con el Instituto de Bioingeniería de Cataluña, Un trabajo publicado por la revista ACS Nano y que demuestra que «estas máquinas minúsculas pueden tratar infecciones en un modelo de ratón gracias a su capacidad de propulsión». 

El equipo destaca en la presentación de su trabajo que «la creciente resistencia de las bacterias a los antibióticos existentes constituye una importante amenaza para la salud pública a nivel mundial, y la mayoría de los tratamientos antibióticos actuales se ven obstaculizados por una entrega deficiente de estos tratamientos al foco de la infección. Eso provoca efectos no deseados fuera del objetivo, pero también el desarrollo y la ampliación de la resistencia a los medicamentos». 

Las micro y nanomáquinas desarrolladas para el tratamiento autónomo de infecciones bacterianas administran «cargas útiles de antibióticos de manera efectiva y autónoma al área objetivo». Los mecanismos antimicrobianos «muestran actividad bactericida micromolar in vitro frente a diferentes cepas bacterianas patógenas Gram-positivas y Gram-negativas, y actúan despolarizando rápidamente su membrana». 

El trabajo actual del equipo ha ido más allá, y ha demostrado que las nanomáquinas tienen una eficacia antiinfecciosa autónoma in vivo. Trabajaron en un modelo de ratón con abceso clínicamente relevante. «Nuestras micro máquinas combinan navegación, catalítica y capacidad bactericida para entregar cargas útiles antimicrobianas a sitios de infección específicos. Esta tecnología representa una herramienta muy necesaria para dirigir las terapias a su objetivo, para ayudar a combatir las infecciones resistentes a los medicamentos». 

Una muerte cada tres segundos

César de la Fuente recuerda que se calcula que las infecciones bacterianas matarán a 10 millones de personas en 2050 a causa de la resistencia a los antibióticos, una previsión que mueve gran parte de su trabajo, en busca de nuevos medicamentos capaces de vencer esa resistencia a los ya conocidos. Actualmente estas infecciones son la cuarta causa de muerte en los hospitales de Estados Unidos, y ya causan millones de muertes en todo el mundo. «Son una amenaza creciente para la salud pública. De hecho estas bacterias se están volviendo cada vez más resistentes a las terapias de amplio espectro, como los antibióticos. Por eso se necesitan enfoques de urgencia para contrarrestar las infecciones recalcitrantes». 

Por otro lado, los antibióticos que se aplican actualmente a las infecciones «están limitados por sus efectos, que son amplios y a menudo nocivos, también fuera del punto de interés en el que tienen que actuar. Eso se debe a la falta de métodos de administración que liberen efectivamente las cargas útiles en el sitio de la infección». 

Frente a esta situación los avances en nanomedicina representan una oportunidad extraordinaria, ya que el desarrollo de nanopartículas cargadas de antibióticos son no sólo mucho más efectivos sino menos nocivos. «Estos sistemas de administración sólo contrarrestan las biopelículas bacterianas en la interfaz del material, y pueden volverse inertes con el tiempo debido a la adhesión de proteínas».

El equipo insiste en que «se necesitan con urgencia enfoques novedosos para entregar cargas útiles antimicrobianas de manera efectiva al lugar de la infección».

En el caso de la nanociencia, los trabajos han avanzado en el diseño de micro y nanopartículas para lograr la autopropulsión mediante la conversión de diversas fuentes de energía en movimiento mecánico. «Son nanomáquinas nadadoras, y según cuál sea su composición las partículas con movimiento activo pueden diseñarse para una amplia variedad de aplicaciones, que van desde las mejoras ambientales a la biomedicina». 

Los investigadores señalan que en la última década se ha trabajado mucho con el movimiento activo biohíbrido, en forma de máquinas bioactivas de tamaño micro y nano, para intervenciones mínimamente invasivas. «Tienen un gran potencial de navegación activa para llegar a áreas que de otro modo serían inaccesibles», señalan. 

Aplicaciones biomédicas

Los últimos avances utilizan estos sistemas para aplicaciones biomédicas, incluida la administración de fármacos dirigidos y mejorados, la manipulación celular, la microcirugía, detección bio1química y diagnóstico. En estos campos se han aplicado micro y nanomáquinas bioactivas para explotar su conversión de energía para combatir las bacterias planctónicas. 

«De hecho, inciden, la mezcla mejorada y la fuerza de remolque de cuentos coloides en movimiento mejora la eficiencia de su interacción con bacterias, lo que permite una erradicación de infecciones más efectiva que cuando se usan partículas pasivas». 

Además su navegación aumenta la probabilidad de contacto con las bacterias circundantes, y también mejora su capacidad de penetración. Sin embargo, «la eficacia antibacteriana de las micro y nanomáquinas no se había probado de forma eficiente en modelos de ratón clínicamente relevantes. «Y eso es un paso fundamental para que estas aplicaciones se traduzcan en resultados clínicos», señalan desde el equipo. 

Es aquí donde el trabajo liderado por el equipo de César de la Fuente ha conseguido dar un paso más en la investigación. 

En el trabajo sobre tratamiento autónomo de infecciones bacterianas utilizando nanomáquinas antimicrobianas «presentamos propuestas bioactivas, que entregan cargas útiles de péptido antimicrobiano al sitio de la infección a través de la combinación de movimiento activo, conversión catalítica y capacidades bactericidas». 

Estos péptidos «han emergido como antimicrobianos pro

metedores, porque tienen un «carácter anfipático» que permite su interacción y la ruptura de las membranas bacterianas. 

La investigación señala que la traducción clínica de este tipo de antimicrobianos está restringida «por su limitada biodisponibilidad, y por su susceptibilidad a la deegradación enzimática y por su baja penetrabilidad hacia la infección objetivo». 

Así que el trabajo se ha centrado en desarrollar «métodos de entrega eficientes», para que las moléculas lleguen más fácilmente a su área objetivo. «Los vehículos de administración, comom los liposomas no unidos y las nanopartículas, se han utilizado para encapsular péptidos para el tratamiento de biopelículas microbianas y cáncer, sin embargo estos métodos se basan en interacciones pasivas con el área infectada y el movimiento pasivo a través del sitio de infección, por ejemplo de una herida infectada». 

Novedades

Ahora el equipo ha desarrollado la utilización de la enzima ureasa , una «fuente biocompatible de movimiento activo», para entregar los péptidos antimicrobianos en micropartículas y nanopartículas a base de sílice, que navegan activamente en líquido hacia el sitio de la infección. 

Utilizan para ello un péptido natural «ampliamente conocido por sus propiedades antimicrobianas, cicatrizantes en inmunomoduladoras (LL-37). que lo convierte en un candidato prometedor para pruebas en modelos animales». 

K7-Pol es «un potente agente antimicrobiano sintético derivado del veneno de la avista polybia--CP, un péptido similar al mastoparaán con actividades antimicrobianas e inmunomoduladoras». Y se ha demostrado eficaz en un amplio espectro contra bacterias y hongos. 

La utilización de las nanomáquinas se centra en dirigir la carga antibióticia al objetivo concreto, porque a pesar de la actividad de amplio espectro y la suscpetibilidad a la degradación de los péptidos antimicrobianos utilizados su aplicación hasta ahora «conduce a efectos fuera del objetivo y a una actividad reducida en las pruebas in vivo». 

El avance de este trabajo se centra en que las máquinas autónomas desarrolladas administraron efectivamente cargas útiles de antibióticos pétídicos en el área infectada, mostraron actividad in vitro en dosis bajas y atacaron bacterias al despolarizar rápidamente sus membranas. «Demostraron eficacia antiinfecciosa in vivo en un estudio clínico con modelo de ratón relevante». 

Una propuesta que abre nuevas expectativas en el desarrollo de la lucha contra la resistencia a los antibióticos.