Diseño de un nanosistema inteligente para la liberación controlada de farnesol y su evaluación como tratamiento antimicrobiano

Abstract

[ES] La resistencia antimicrobiana, definida como la capacidad de un microorganismo para sobreponerse a los efectos inhibitorios de los compuestos antimicrobianos, es uno de los principales problemas de salud pública actualmente. Se estima que las infecciones causadas por microorganismos resistentes a los antibióticos podrán llegar a superar en número de muertes anuales a las principales causas de muerte hoy en día, como pueden ser las cardiopatías o el cáncer. En el caso de las bacterias, la capacidad intrínseca que tienen para evolucionar rápidamente en condiciones adversas les permite desarrollar mecanismos de resistencia superar de forma muy eficaz a los nuevos antibióticos que surgen. De este modo, desde que se descubrió la penicilina en 1928, se han ido describiendo bacterias resistentes a los distintos antibióticos al poco tiempo de entrar estos en circulación. Para solventar esta problemática, se han desarrollado numerosas alternativas al uso de antibióticos: ya sean (i) antimicrobianas, como el uso de compuestos naturales o de péptidos antimicrobianos, o (ii) no antimicrobianas, que se basan en potenciar la acción de otros mecanismos de eliminación de las bacterias, como es la inmunoterapia o el uso de moléculas adyuvantes para inhibir los mecanismos de resistencia. En este escenario, en el presente trabajo se ha desarrollado una alternativa antimicrobiana, como es el uso de un componente de aceite esencial, el farnesol, para el tratamiento de distintas bacterias. Para solventar algunas de las desventajas típicas de los componentes de aceites esenciales, como son la baja solubilidad en agua, la elevada reactividad y la alta volatilidad, el farnesol se ha encapsulado en una nanopartícula mesoporosa de sílice de tipo MCM-41. Para conseguir un efecto específico en presencia de bacterias, se ha funcionalizado la nanopartícula con una puerta molecular proteica, al ε-poli-lisina, que permite la liberación controlada específica en presencia de las proteasas secretada por las bacterias. El sistema nanopartículado ha demostrado tener una gran actividad antimicrobiana frente a las bacterias gram-positivas del estudio (Staphyloccocus epidermidis y Staphylococcus aureus), a diferencia de contra las gram-negativas (Escherichia coli y Pseudomonas aeruginosa), lo que puede deberse a las diferencias existentes en la estructura de sus paredes bacterianas. Además, con el propósito de encontrar una explicación a las diferencias observadas en el efecto antimicrobiano frente a gran-positivas y gran-negativas, se ha explorado el mecanismo de acción del farnesol frente a estas bacterias.

[EN] Antimicrobial resistance, defined as the ability of a microorganism to overcome the inhibitory effects of antimicrobial compounds, is one of the major public health problems today. It is estimated that infections caused by antibiotic-resistant microorganisms may exceed the number of annual deaths of the main causes of death today, such as heart disease or cancer. In the case of bacteria, their intrinsic ability to evolve rapidly under adverse conditions allows them to develop resistance mechanisms to overcome very effectively the new antibiotics that emerge. Thus, since penicillin was discovered in 1928, bacteria resistant to different antibiotics have been described shortly after they entered circulation. To solve this problem, numerous alternatives to the use of antibiotics have been developed: either (i) antimicrobial, such as the use of natural compounds or antimicrobial peptides, or (ii) non-antimicrobial, which are based on enhancing the action of other mechanisms of elimination of bacteria, such as immunotherapy or the use of adjuvant molecules to inhibit resistance mechanisms. In this scenario, in the present work an antimicrobial alternative has been developed, such as the use of an essential oil component, farnesol, for the treatment of different bacteria. To solve some of the typical disadvantages of essential oil components, such as low water solubility, high reactivity and high volatility, farnesol has been encapsulated in a mesoporous silica nanoparticle of type MCM-41. To achieve a specific effect in the presence of bacteria, the nanoparticle has been functionalized with a protein molecular gate, ε-poly-lysine, which allows the specific controlled release in the presence of proteases secreted by bacteria. The nanoparticle system has shown to have a high antimicrobial activity against the gram-positive bacteria of the study (Staphyloccocus epidermidis and Staphylococcus aureus), unlike against the gram-negative ones (Escherichia coli and Pseudomonas aeruginosa), which may be due to the differences in the structure of their bacterial walls. In addition, in order to find an explanation for the differences observed in the antimicrobial effect against gran-positive and gran-negative, the mechanism of action of farnesol against these bacteria has been explored.