Prevención de biopelículas

Las modificaciones químicas constituyen la principal estrategia para la prevención de biopelículas en dispositivos médicos implantables . Los antibióticos, los biocidas y los recubrimientos iónicos son métodos químicos comúnmente utilizados para la prevención de biopelículas. Estos previenen la formación de biopelículas al interferir con la adhesión y expansión de biopelículas inmaduras. Por lo general, estos recubrimientos son efectivos solo durante un corto período de tiempo (aproximadamente 1 semana), después del cual la lixiviación del agente antimicrobiano reduce la efectividad del recubrimiento. ^{[ 3 ]}

Los usos médicos de la plata y los iones de plata se conocen desde hace tiempo; su uso se remonta a los fenicios, quienes almacenaban agua, vino y vinagre en botellas de plata para evitar que se estropearan. Ha resurgido el interés por los recubrimientos de plata con fines antimicrobianos. La propiedad antimicrobiana de la plata se conoce como efecto oligodinámico , un proceso en el que los iones metálicos interfieren con el crecimiento y la función de las bacterias. ^{[ 4 ]} Varios estudios in vitro han confirmado la eficacia de la plata para prevenir infecciones, tanto en forma de recubrimiento como de nanopartículas dispersas en una matriz polimérica. Sin embargo, persisten las dudas sobre el uso de la plata in vivo . Considerando el mecanismo por el cual la plata interfiere con la función de las células bacterianas, algunos temen que la plata pueda tener un efecto tóxico similar en el tejido humano. Por esta razón, el uso de recubrimientos de plata in vivo ha sido limitado. A pesar de ello, los recubrimientos de plata se utilizan comúnmente en dispositivos como catéteres. ^{[ 5 ]}

Cuando se estudió esta técnica, se utilizaron dos métodos de purificación para tratar el agua. El primero fue una técnica típica de ósmosis inversa, utilizada para agua pura. El segundo fue una técnica de doble ósmosis inversa con desionización eléctrica, que se desinfectaba continuamente con luz ultravioleta y semanalmente con ozono. La tubería por la que circulaba se analizaba semanalmente para detectar colonias bacterianas. El agua altamente purificada mostró una marcada disminución en la adhesión de colonias bacterianas. Los métodos de purificación de agua se están examinando aquí porque se cree que es en este estado donde se produce la contaminación y se forman biopelículas. ^{[ 6 ]}

Para evitar los efectos indeseables de la lixiviación, los agentes antimicrobianos pueden inmovilizarse en las superficies de los dispositivos mediante cadenas poliméricas largas y flexibles. Estas cadenas se anclan a la superficie del dispositivo mediante enlaces covalentes, lo que produce superficies que no lixivian y que eliminan los microorganismos por contacto. Un estudio in vitro demostró que cuando el bromuro de N-alquilpiridinio, un agente antimicrobiano, se unía a una poli(4-vinil-N-hexilpiridina), el polímero era capaz de inactivar ≥  99 % de las bacterias Staphylococcus epidermidis , Escherichia coli y Pseudomonas aeruginosa . ^{[ 7 ]}

Las fuerzas de dispersión entre las cadenas poliméricas y las células bacterianas impiden que las bacterias se adhieran a la superficie e inicien el crecimiento de biopelículas. El concepto es similar al de la estabilización estérica de coloides. Las cadenas poliméricas se injertan en una superficie mediante enlaces covalentes o adsorción. La solubilidad de estos polímeros se debe a la alta entropía conformacional de las cadenas poliméricas en solución. El parámetro Χ (Chi) se utiliza para determinar si un polímero será soluble en una solución dada. Χ viene dado por la ecuación:

${\displaystyle \chi ={\frac {{(\delta _{1}-\delta _{2}})^{2}\times {\bar {V}}}{RT}}.\ }$

dónde${\displaystyle \delta _{1}}$y${\displaystyle \delta _{2}}$son las densidades de energía cohesiva del polímero y del disolvente, respectivamente,${\displaystyle {\bar {V}}}$es el volumen molar de la solución (suponiendo${\displaystyle {\bar {V_{1}}}={\bar {V_{2}}}}$), R es la constante de los gases ideales y T es la temperatura en Kelvin. Si 0 <${\displaystyle \chi }$< 2, el polímero será soluble.

Las biopelículas se forman como mecanismo de supervivencia para las bacterias en ambientes acuáticos. El ozono actúa sobre los polisacáridos extracelulares , un grupo de colonias bacterianas en una superficie, y los fragmenta. El ozono atraviesa rápidamente la estructura de la biopelícula, disolviéndola en fragmentos microscópicos inocuos. Su eficacia se debe a que es un oxidante muy potente y alcanza concentraciones mucho mayores que la mayoría de los desinfectantes, como el cloro. Esta técnica se ha utilizado principalmente en la industria de spas y piscinas para purificar el agua. ^{[ 8 ]}

La modificación de la carga superficial de los polímeros también ha demostrado ser un medio eficaz para prevenir la formación de biopelículas. Según los principios de la electrostática, las partículas cargadas se repelen entre sí con carga similar. La hidrofobicidad y la carga de las cadenas poliméricas pueden controlarse mediante el uso de diversos compuestos estructurales y agentes antimicrobianos. Las cadenas policatiónicas con carga positiva permiten que la molécula se extienda y genere actividad bactericida. ^{[ 7 ]}

La capacidad de las bacterias para adherirse a una superficie y comenzar la formación de una biopelícula está determinada en parte por la entalpía de adhesión de dicha superficie. La adhesión es termodinámicamente favorable si la entalpía libre de adhesión es negativa y disminuye al aumentar los valores de entalpía libre. ^{[ 7 ]} La energía libre de adhesión se puede determinar midiendo los ángulos de contacto de las sustancias en cuestión. La ecuación de Young se puede utilizar para determinar si la adhesión es favorable o desfavorable:

${\displaystyle \gamma _{\mathrm {SL} }+\gamma _{\mathrm {LV} }\cos {\theta _{\mathrm {c} }}=\gamma _{\mathrm {SV} }\,}$

dónde${\displaystyle \gamma _{\mathrm {SL} }}$,${\displaystyle \gamma _{\mathrm {LV} }}$, y${\displaystyle \gamma _{\mathrm {SV} }}$son las energías interfaciales de las interfaces sólido-líquido, líquido-vapor y sólido-vapor, respectivamente. Usando esta ecuación,${\displaystyle \theta _ {\mathrm {c} }}$se puede determinar.

La rugosidad de la superficie también puede afectar la adhesión de biopelículas. Las superficies rugosas y de alta energía favorecen la formación y maduración de biopelículas, mientras que las superficies lisas son menos susceptibles a la adhesión. La rugosidad de una superficie puede afectar la hidrofobicidad o hidrofilicidad de la sustancia en contacto, lo que a su vez afecta su capacidad de adhesión. La ecuación de Wenzel se puede utilizar para estimar el ángulo de contacto observado.

${\displaystyle \cos \,{\theta _{obs}}=R\cos \,{\theta }}$

dónde${\displaystyle \theta _{obs}}$es el ángulo de contacto aparente y R es el parámetro de rugosidad de la superficie. R es la relación entre el área superficial real y el área superficial proyectada. La ecuación de Wenzel predice que una superficie hidrofílica tendrá un ángulo de contacto menor.${\displaystyle \theta _{obs}}$, facilitando así la adhesión de las bacterias. ^{[ 9 ]}

Por lo tanto, es deseable mantener una superficie lisa en cualquier producto que pueda entrar en contacto con bacterias. Los estudios han demostrado que existe un valor umbral de rugosidad superficial (Ra = 2 μm ) por debajo del cual la adhesión del biofilm no se reduce más. ^{[ 10 ]} 

Esta técnica utiliza ondas de baja energía producidas por un dispositivo alimentado por batería. El dispositivo emite pulsos rectangulares periódicos a través de un actuador que sostiene una delgada placa piezoeléctrica. Las ondas se propagan a la superficie, en este caso un catéter, creando ondas horizontales que impiden la adhesión de bacterias planctónicas a las superficies. Esta técnica se ha probado en conejos blancos y cobayas. Los resultados mostraron una disminución del crecimiento de biopelículas. ^{[ 11 ]}

La estructura química de las aril rodaninas es [(Z)-3-(4-fluorofenil)-5-(3-etoxi-4-hidroxibencilideno)-2-tioxotiazolidin-4-ona]. Las aril rodaninas inhiben la adhesión de células bacterianas como Staphylococcus aureus y enterococos en la primera etapa de la formación de biopelículas, ya que impiden la interacción inicial entre las células bacterianas y la superficie de adhesión. El mecanismo de inhibición de la biopelícula por estas moléculas se basa en la interacción física entre la aril rodanina y la adhesina, que se encuentra en la superficie de la célula bacteriana. Estas moléculas no presentan ningún efecto antimicrobiano contra ningún tipo de bacteria. ^{[ 14 ]}

El C2DA inhibe la biopelícula de estafilococos resistentes a la meticilina, pero no la elimina. El mecanismo de inhibición de la biopelícula por estas moléculas aún se desconoce. El C2D es un medio de cadena de ácidos grasos que afecta la biopelícula de Staphylococcus aureus y su dispersión. Pseudomonas aeruginosa es la principal fuente de estas moléculas. ^{[ 15 ]}

Los líquidos iónicos son un grupo de sales de bajo punto de fusión que contienen aniones y cationes. Tienen la flexibilidad de exhibir actividad antibiopelícula y actividad antimicrobiana; poseen numerosas actividades antibiopelícula y previenen la formación de biopelículas en muchas bacterias grampositivas y gramnegativas . ^{[ 16 ]}

Además de los productos químicos, se han utilizado enzimas para degradar la matriz del biofilm y expulsar las células del biofilm de forma forzada. Demostrado por primera vez en P. aeruginosa , una glicosil hidrolasa PslG puede desencadenar el desensamblaje del biofilm al alterar eficazmente la matriz de exopolisacáridos en los biofilms y puede utilizarse en combinación con antibióticos para eliminar las células liberadas de los biofilms. ^{[ 17 ]}