Un recobriment antimicrobià inspirat en els musclos protegeix els teixits sanitaris per evitar infeccions

L'ús excessiu d'antibiòtics ha portat al desenvolupament de resistència els antimicrobians, una amenaça creixent per a la salut pública a tot el món. Aquesta resistència passa quan els bacteris canvien amb el temps i ja no responen als medicaments, antibiòtics i altres fàrmacs antimicrobians relacionats, cosa que fa que les infeccions siguin més difícils de tractar i augmenta el risc de propagació de patògens, de malalties greus i mort. De fet, l'Organització Mundial de la Salut (OMS) i les Nacions Unides (ONU) han informat que la resistència als antimicrobians representa una gran amenaça per a la salut humana a tot el món, i probablement superarà el càncer com a principal causa de mort al món el 2050. En aquest escenari, el desenvolupament de materials antibacterians més eficaços s'ha tornat essencial per reduir la propagació de patògens i prevenir infeccions. El control de poblacions bacterianes és especialment rellevant en entorns sanitaris com hospitals i centres de salut per evitar les anomenades infeccions nosocomials, degudes principalment a la colonització bacteriana en superfícies biomèdiques.

Avui dia, aquest tipus d'infecció és la sisena causa de mort als països industrialitzats, i encara té més pes als països en vies de desenvolupament. Afecta especialment pacients immunodeprimits, en cures intensives (per exemple, per cremades) i amb patologies cròniques com la diabetis, entre altres casos. Entre els diferents materials que poden propagar poblacions bacterianes, els teixits representen una part integral de la cura del pacient: des de la roba de metges, cirurgians i infermeres fins a cortines mèdiques, llençols, fundes de coixins, màscares, guants i embenats, que estan en contacte directe amb sutures i ferides. Per totes aquestes raons, els recobriments antibacterians per a teixits mèdics han esdevingut un camp de recerca molt actiu.

Investigadors del Departament de Bioquímica i de Biologia Molecular de la UAB, de l'Institut de Neurociències de la UAB (INc-UAB) i de l'Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) han desenvolupat una família de recobriments biocompatibles i bioinspirats produïts per la copolimerització entre derivats de catecol i lligands amino-terminals. Sobre aquesta base han demostrat l'ús d'aquests recobriments inspirats en els musclos com a materials antimicrobians eficients basant-se en la seva capacitat d'evolucionar químicament amb el temps en presència d'aire i d'atmosferes humides, afavorint la formació contínua d'espècies reactives d'oxigen (ROS). De fet, a més de la formació de ROS, la metodologia sintètica dona com a resultat un excés de grups amino lliures superficials que indueixen l'alteració de les membranes dels patògens.

"Un dels principals components que conformen els recobriments (el catecol i els derivats polifenòlics) es troba als filaments que secreten els musclos i que són responsables de l’ adhesió a les roques en condicions extremes, sota l'aigua amb salinitat", expliquen el professor de la UAB Víctor Yuste i l'investigador de l'ICN2 Salvio Suárez. “El fet que els recobriments que hem desenvolupat estiguin inspirats en aquest organisme permet que s'adhereixin a pràcticament qualsevol tipus de superfície i que, a més, presentin una elevada resistència cap a diferents condicions ambientals com ara la humitat o la presència de fluids. A més, els compostos naturals afavoreixen obtenir materials més biodegradables, biocompatibles i amb menys resistència antimicrobiana comparada amb altres sistemes bactericides que acaben generant resistència i, per tant, perden ràpidament efectivitat.”

Tots els materials d'ús sanitari comú que van ser recoberts —paper, cotó, màscares quirúrgiques i tiretes comercials— van mostrar activitat antibacteriana intrínseca de múltiples vies amb respostes ràpides contra un ampli espectre d'espècies microbianes. Això inclou microorganismes que han desenvolupat resistència a condicions ambientals extremes (com el B. subtilis), així com patògens considerats com els principals responsables de moltes infeccions actuals, particularment les adquirides en centres d'atenció mèdica. Aquests patògens inclouen microorganismes multiresistents de bacteris tant gramnegatius (E. coli i P. aeruginosa) com grampositius (S. aureus, S. aureus resistent a meticil·lina – MRSA i E. faecalis). Aquests materials també han mostrat eficàcia contra fongs com C. albicans i C. auris.

A més, es va demostrar la seva aplicació eficient en atmosferes humides, com les que es troben en entorns sanitaris, on són presents gotetes respiratòries i altres biofluids, tot reduint el risc de transmissió per contacte indirecte. Aquesta activitat antimicrobiana es va atribuir a un procés inicial de destrucció per contacte directe, en què el patogen s'adhereix inicialment al recobriment mitjançant molècules de catecol i altres derivats de polifenol. Posteriorment s'activa un efecte antibacterià de múltiples vies, enfocat principalment a generar de manera sostinguda nivells de bioseguretat de ROS i interaccions electrostàtiques amb grups amino pròtics exposats a la superfície. Aquests mecanismes antibacterians van induir una resposta ràpida (180 minuts per a bacteris i 24 hores per a fongs) i eficient (més del 99 %) contra patògens, i van provocar danys irreversibles en els microorganismes.

Aquests recobriments innovadors segueixen una síntesi escalable i d’un sol pas mitjançant materials assequibles i metodologies basades en química ecològica. A més, la naturalesa polifenòlica de la seva composició i l'absència d'agents antimicrobians externs addicionals milloren la simplicitat dels recobriments bioinspirats i eviten la inducció de resistència antimicrobiana i els seus efectes citotòxics a les cèl·lules hoste i al medi ambient. Cal esmentar que es van afinar diferents paràmetres com ara color, gruix i adherència, oferint així una solució adaptable a les diferents demandes de l'aplicació final del material. En general, els recobriments bioinspirats dissenyats han demostrat un enorme potencial per ser aplicats en entorns sanitaris, ja que representen una alternativa viable als materials antimicrobians existents.

El treball és fruit d’una col·laboració entre la UAB (Víctor J. Yuste del Departament de Bioquímica i Biologia Molecular i de l’Institut de Neurociències) i investigadors de l’ICN2 (Daniel Ruiz-Molina i Salvio Suárez-García). El primer autor de l’article és l’estudiant de doctorat del Departament de Bioquímica i de Biologia Molecular de la UAB José Bolaños-Cardet.

Finançament:

Aquest treball ha comptat amb el suport de la subvenció PID2021-127983OB-C21 finançada per MCIN/AEI/10.13039/501100011033/ i FEDER “A way to make Europe”, i SAF2017-83206-R finançada per MCIN/Gobierno de España y  FEDER “A way to make Europe. L'ICN2 està finançat pel programa CERCA/Generalitat de Catalunya. L'ICN2 compta amb el suport del programa de Centres d'Excel·lència Severo Ochoa, Beca CEX2021-001214-S, finançada per MCIN/AEI/10.13039.501100011033. José Bolaños-Cardet rep la beca “Investigador Personal en Formació” (2020/D/LE/CC/3) de la Universitat Autònoma de Barcelona.

Article científic:

Jose Bolaños-Cardet, Daniel Ruiz-Molina, Victor J. Yuste, Salvio Suárez-García, Bioinspired phenol-based coatings for medical fabrics against antimicrobial resistance, Chemical Engineering Journal 481 (2024) 148674. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148674