La llum i la nanotecnologia es combinen per prevenir la contaminació bacteriana dels implants mèdics

+
Descarregar

Foto de les malles quirúrgiques. Les malles de color vermellós coure (esquerra) estan recobertes de nanopartícules d'or. Les malles blanques (dreta) són les originals abans del tractament de nanopartícules

+
Descarregar

Micrografies SEM del biofilm de S. aureus format a la superfície de la malla quirúrgica

+
Descarregar

Vista esquemàtica de com s'aconsegueix prevenir la formació de biofilms en malles quirúrgiques

Sobre l’ICFO

L'Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) va ser fundat en 2002 per la Generalitat de Catalunya i la UPC, tots dos membres del seu consell d'administració juntament amb Cellex i Mir-Fundacions Puig, entitats filantròpiques que han tingut un paper fonamental en l'avanç de l'institut des de 2007. Situat al Parc Tecnològic de la Mediterrània a l'àrea metropolitana de Barcelona, l'institut actualment alberga a 400 persones, organitzades en 26 grups de recerca en 60 laboratoris de recerca d'última generació. Les línies de recerca abasten diverses àrees en què la fotònica juga un paper decisiu, amb èmfasi en temes bàsics i aplicats relacionats amb la medicina i la biologia, tècniques avançades d'imatges, tecnologies de la informació, una gamma de sensors ambientals, làser sintonitzable i ultra ràpid, ciència quàntica l'energia fotovoltaica i les propietats i aplicacions de nanomaterials com el grafè, entre d'altres. A més de les dues acreditacions d'excel·lència Severo Ochoa atorgades per l'estat, els ICFOnians han rebut 15 càtedres ICREA i 35 beques del Consell Europeu de Recerca. L'ICFO participa activament a la plataforma tecnològica europea Photonics21 i també és molt proactiu en el foment d'activitats empresarials, la creació de spin-off i la creació de col·laboracions i vincles entre la indústria i els investigadors de l'ICFO. Fins a la data, l'ICFO ha ajudat a crear 7 empreses de nova creació.

Un estudi de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) -institut universitari de recerca adscrit a la UPC- i B. Braun Surgical, SA publicat a la revista Nano Letters i destacat a Nature Photonics informa sobre una nova tècnica que podria prevenir la contaminació bacteriana dels implants mèdics mitjançant l'ús de llum en combinació amb nanopartícules d'or.

24/05/2019

Inventades fa aproximadament 50 anys, les malles quirúrgiques s'han convertit en elements clau per a la recuperació de cirurgies de teixits danyats, sent la reparació de l'hèrnia inguinal la més freqüent. Quan s'implanten en el teixit del pacient, el seu disseny flexible i adaptable ajuda a mantenir la musculatura lliure de tensió i permet que els pacients es recuperin molt més ràpid i amb menys recurrència que a través de la cirurgia tradicional amb només punts de sutura.

Tanmateix, l'implant de productes sanitaris en el cos d'un pacient comporta un risc de contaminació bacteriana durant la cirurgia que pot derivar en la formació d'un biofilm constituït per una acumulació de bacteris sobre la superfície de l’implant. Aquests biofilms actuen com un recobriment impermeable als fàrmacs, impedint que els antibiòtics arribin i ataquin els bacteris del biofilm i no es pugui aturar la infecció. Per tant, les teràpies amb antibiòtics, que són limitades en el temps, podrien fallar contra aquests bacteris resistents i el pacient podria necessitar una segona cirurgia per explantar la malla amb els riscos i costos que comporten aquest tipus d’intervencions.

En el passat, s'han desenvolupat diversos mètodes per prevenir la contaminació dels implants durant la cirurgia i els hospitals han implantat protocols d’asèpsia per combatre aquests tipus de contaminació bacteriana, malgrat tot no s’ha aconseguit resoldre del tot aquest problema.

En un estudi recent publicat a Nano Letters i destacat a Nature Photonics, els investigadors de l'ICFO, centre universitari de recerca adscrit a la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC), Ignacio de Miguel i Arantxa Albornoz, dirigits pel professor ICREA a l'ICFO Romain Quidant, en col·laboració amb els investigadors Irene Prieto, Vanesa Sanz, Christine Weis i Pau Turon, de l’empresa B. Braun Surgical, S.A., fabricant de productes sanitaris, han ideat una tècnica innovadora que utilitza la nanotecnologia i la fotònica per millorar dràsticament la prevenció de la colonització dels implants quirúrgics.

A través d'una col·laboració que s’inicià al 2012, l'equip d'investigadors de l'ICFO i B. Braun Surgical, S.A. han desenvolupat una malla quirúrgica amb una característica particular: la superfície de la malla està modificada químicament per ancorar milions de nanopartícules d'or. Per què? Doncs perquè s'ha demostrat que les nanopartícules d'or converteixen de manera molt eficient la llum en calor en regions molt localitzades, d’abast nanomètric, i aquest efecte és útil per destruir la membrana cel·lular dels bacteris i desfer l’entramat protector del biofilm fet de molècules nomenades proteoglicans.

La tècnica de l'ús de nanopartícules d'or en processos de conversió de llum-calor ja s'havia provat en estudis anteriors en tractaments contra el càncer. Concretament, a l'ICFO aquesta tècnica s'havia implementat en diversos estudis previs recolzats per la Fundació Cellex, sent un altre exemple excel·lent de com el suport filantròpic visionari que pretén abordar problemes fonamentals pot acabar donant lloc a importants aplicacions pràctiques. En aquest cas en particular, tenint en compte que més de 20 milions d'operacions de reparació d'hèrnies es realitzen cada any a tot el món, es va creure que aquest mètode podia reduir els costos mèdics de les operacions recurrents i al mateix temps facilitar l’eficàcia dels tractaments amb antibiòtics que actualment es fan servir per combatre aquest problema.

Tal com comenta el professor ICREA a l'ICFO Romain Quidant, “Els resultats d'aquest estudi han aplanat el camí cap a l'ús de nanotecnologia plasmònica per prevenir la formació de biofilms bacterians a la superfície dels implants quirúrgics. Encara hi ha diverses qüestions que s'han d'abordar, però és important emfatitzar que aquesta tècnica significarà un canvi radical en els procediments quirúrgics i la posterior recuperació del pacient”.

Per tant, en el seu experiment in vitro i mitjançant un exhaustiu procés, l'equip va recobrir la malla quirúrgica amb milions de nanopartícules d'or, estenent-les uniformement sobre tota l'estructura. Les malles es van testar en diferents moments per garantir l'estabilitat de les partícules a llarg termini, la no degradació del material i el no despreniment o alliberament de nanopartícules en l'entorn circumdant. Van observar una distribució homogènia de les nanopartícules sobre l'estructura utilitzant un microscopi electrònic de rastreig.

Un cop es va obtenir la malla modificada, l'equip la va exposar al bacteri S. aureus durant 24 hores fins que va observar la formació d'un biofilm a la superfície. Posteriorment, van exposar la malla a polsos curts i intensos de llum infraroja propera (800 nm) durant 30 segons per assegurar que s'aconseguís l'equilibri tèrmic i van repetir el procediment 20 vegades amb un interval de 4 segons de descans entre cada pols. Van descobrir el següent: en primer lloc, van veure que il·luminar la malla amb una freqüència específica induïa ressonàncies plasmòniques de superfície localitzades en les nanopartícules, la qual cosa resulta en la conversió eficient de llum en calor, cremant així els bacteris sobre la superfície. En segon lloc, utilitzant un microscopi confocal de fluorescència, van veure quants bacteris havien mort i quants eren encara vius. Respecte als bacteris que havien sobreviscut, van observar que els del biofilm es van convertir en cèl·lules planctòniques, recuperant la seva sensibilitat a la teràpia amb antibiòtics i a la resposta del sistema immunològic. Pel que fa als bacteris morts, van observar que a l’augmentar la quantitat de llum que arriba a la superfície de la malla, aquests perdien la seva adherència i es desprenien de la superfície. En tercer lloc, van confirmar que operar en rangs de llum infraroja propera era perfectament compatible amb condicions in vivo, de manera que aquesta tècnica no danyés el teixit sa circumdant. Finalment, van repetir el tractament i van confirmar que l'escalfament recurrent de la malla no havia afectat la seva eficiència de conversió de llum a calor.

Per altra banda, Pau Turon, director de Recerca i Desenvolupament de B. Braun Surgical, S.A.  explica, “El nostre compromís amb els professionals de la salut per ajudar-los a evitar infeccions hospitalàries ens empeny a desenvolupar noves estratègies per combatre els bacteris i els biofilms. A més, l'equip de recerca està explorant les possibilitats d'estendre aquesta tecnologia a altres sectors en els quals els biofilms haurien de ser evitats”.