Nanotecnología
La nanotecnología se define como el estudio de las propiedades de la materia en la
escala nanométrica (Figura 1), en particular se enfoca en las propiedades dependientes del tamaño del estado sólido
de los materiales (Mulvaney et al, 2015). Se habla de nanotecnología cuando se puede hacer la manipulación de las propiedades
de una molécula a la vez para obtener propiedades nuevas o diferentes de los materiales
en escala macro o micro. Los fenómenos naturales en la escala macro obedecen a las
leyes de la mecánica clásica, mientras que, entre más pequeños son los objetos, los
fenómenos cuánticos predominan en el comportamiento de los nanomateriales (Figura 1).
Figura 1
Representación gráfica de la escala nanométrica.

Fuente: Elaboración de los autores.
La nanotecnología ofrece la posibilidad de crear y diseñar nanopartículas (NPs) con
requisitos
específicos. Esta área ha sido ampliamente explorada por la química, la física,
la
biología, la medicina y las ingenierías, entre otras disciplinas. La nanotecnología
tiene el potencial de optimizar procesos industriales, crear productos innovadores
y
aportar soluciones a problemáticas críticas para la sociedad. El término NP se
refiere a partículas en donde por lo menos una de sus dimensiones se encuentra
entre
1 y 100 nanómetros (Auffan et al.,
2009). Recientemente, su síntesis y caracterización han sido de gran
interés científico e industrial puesto que presentan un aumento exponencial de
su
área en comparación con su volumen, lo que repercute en la mejora de sus propiedades
mecánicas, térmicas, ópticas y eléctricas, entre otras, en comparación con
materiales micrométricos.
El uso de moléculas basadas en el carbono en diferentes combinaciones estructurales
ha
generado tubos (nanotubos), esferas (fulerenos) o superficies planas (grafeno),
con
constituyentes no sólo de carbono, sino también de metales, cerámicas y polímeros
(Dresselhaus et al.,
2010). Existe una gran variedad de NPs dentro de las cuales destacan las
nanofibras, nanoarcillas, nanoalambres, entre otros; además de NPs metálicas tales
como plata, oro, cobre, titanio, zinc, y sus óxidos metálicos correspondientes
en
escala nanométrica, en donde sus características particulares dependen
principalmente de su tamaño, forma, geometría y superficie (Fedlheim y Foss, 2001). En particular, la introducción de
cargas nanométricas en matrices poliméricas sintéticas o naturales ha generado
nanocompuestos con características fisicoquímicas mejoradas con aplicaciones en
el
cuidado de la salud (España-Sánchez et
al., 2014; Luna-Hernández
et al., 2017).
Enfermedades infecciosas
A pesar del hecho de que vivimos en una era de tecnologías avanzadas e innovadoras
para
dilucidar mecanismos de enfermedades y el diseño molecular de nuevos medicamentos,
las enfermedades infecciosas siguen siendo uno de los mayores desafíos relacionados
con la salud en todo el mundo. Los principales inconvenientes para los agentes
antimicrobianos convencionales son el desarrollo de resistencia farmacológica
múltiple y los efectos secundarios adversos. El desarrollo de antibióticos no
convencionales es una alternativa para prevenir la infección y combatir los
microrganismos patógenos, incluyendo bacterias, hongos y protozoarios. En
particular, varias clases de NPs antimicrobianas y nanocompuestos para el suministro
de antibióticos han demostrado su eficacia para prevenir y tratar enfermedades
infecciosas (Ae y Young, 2011).
Uno de los sitios de mayor riesgo para contraer una infección por microrganismos es
dentro de un hospital, puesto que la susceptibilidad de los pacientes se incrementa
por la exposición constante a los agentes infecciosos, los cuales, generalmente, son
resistentes a los antibióticos convencionales. De acuerdo con el Centro de Control
y Prevención de Enfermedades de los Estados Unidos y la Organización Mundial de la
Salud, una infección intrahospitalaria (IIH) se define como la infección adquirida
por pacientes dentro de un recinto de atención a la salud, la cual se encuentra ajena
al motivo inicial de ingreso (Horan et al., 1992). Hoy en día, muchos microrganismos son resistentes a uno o varios agentes antimicrobianos
y hay estudios que indican que el uso indiscriminado de estos promueve la transferencia
de la información genética permitiéndoles a las bacterias resistir a estos fármacos
(Jutkina et al., 2017). Aproximadamente, entre un 5 y 10 % de los pacientes que ingresan a un hospital
adquieren una iih, de los cuales el 5 % fallecen por la misma causa, ocasionada principalmente
por bacterias tales como Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae entre otras (Melzer et al., 2003).
Las IIHS por protozoarios parásitos son relativamente pocas en comparación con los
otros agentes infecciosos, afectando principalmente a pacientes inmunocomprometidos;
dentro de éstos tenemos: Pneumocystis carinii, Toxoplasma gondii y Cryptosporidium spp. Sin embargo, presentan altas tasas de prevalencia y amplia distribución universal,
principalmente en las regiones tropicales y subtropicales. A pesar del incremento
de recursos terapéuticos eficaces y del establecimiento de programas de control, sobre
todo en la población infantil (www.cdc.gov/parasites/es/about.html; Short et al., 2017). Es importante la revaluación de las pautas de tratamiento y desarrollo de nuevos
fármacos debido a la creciente resistencia de los parásitos, aunque otros factores
también contribuyen a este fenómeno (Ponte-Sucre et al., 2017).
Estudios epidemiológicos indican que el número de infecciones fúngicas sistémicas
ha aumentado significativamente durante las últimas décadas, generando importantes
problemas de salud pública por lo cual es una necesidad desarrollar agentes novedosos
y eficientes contra las especies que causan las micosis (Havlickova et al., 2008). Candida albicans es un hongo que afecta al ser humano y uno de los más importantes dentro de las IIH
(Melzer et al., 2003), pero también hay una gran variedad de hongos que afectan a los animales y a las
plantas.
Desarrollo de nuevos agentes antimicrobianos
Bacterias
La nanotecnología se ha utilizado cada vez más para aplicaciones médicas y es de gran
interés
su enfoque para matar o reducir la actividad de numerosos microrganismos. En la
última década, se ha comenzado a explotar el potencial tecnológico de las NPs
como
microbicidas o acarreadores de fármacos para que lleguen de manera rápida y eficaz
al sitio blanco de acción. En los últimos 20 años se han publicado más de 5 mil
artículos sobre la actividad antimicrobiana de las NPs y nanocompuestos, de los
cuales más del 80% son sobre bacterias (www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed).
Las NPs metálicas han demostrado poseer propiedades bacteriostáticas y bactericidas
asociadas
con un incremento en el área de contacto, aumentando sus actividades físicas y
químicas, siendo consideradas como los nuevos agentes antimicrobianos de nueva
generación (Seil y Webster, 2012). La
estructura física de una NP y la forma en que interactúa y penetra en las bacterias
parece proporcionar mecanismos bactericidas únicos. Se han publicado un buen número
de trabajos enfocados en determinar el mecanismo antibacteriano, empleando NPs
metálicas de diferente tamaño y forma, varias especies de bacterias patógenas
y no
patógenas, y con diferentes enfoques experimentales, siendo las NPs de plata las
más
empleadas. Sin embargo, en los últimos años el uso de NPs de cobre se está
incrementando por su alta actividad antimicrobiana y por su menor costo que la
plata
(España-Sánchez et al.,
2014). Los estudios se han enfocado en analizar las etapas tempranas
(España-Sánchez et al.,
2014) y tardías del daño en las bacterias ocasionado por las NPs
metálicas (Vimbela et al.,
2017).
Las NPs metálicas inician el proceso antibacteriano a través del contacto con la pared
celular
bacteriana mediante interacciones electrostáticas, liberando iones que alteran
la
permeabilidad de la bacteria, favoreciendo la penetración de las NPs y su posterior
interacción con biomoléculas y componentes intracelulares (Morones et al., 2005). Estudios recientes han
demostrado que las NPs metálicas además de causar daños estructurales en la membrana
celular, generan especies reactivas de oxígeno (ROS) (Wang et al., 2014) que provocan daño al
material genético de los microrganismos, afectando el proceso de replicación.
Los
iones metálicos de las NPs interaccionan con la carga negativa de las proteínas
con
las que forma complejos afectando su función (Lok
et al., 2006) e interfieren con la fosforilación de
proteínas (Shrivastava et al.,
2007). Las NPs metálicas también producen la peroxidación de lípidos
dañando la integridad de la membrana celular por estrés oxidativo (Tedesco et al., 2010) (Figura 2). Finalmente, el efecto antibacteriano
es la sumatoria de diferentes factores, dentro de los cuales destacan la naturaleza
química de las NPs, su morfología, el proceso de liberación de iones en su
superficie y las diferencias en la estructura celular bacteriana.
Figura 2
Mecanismo de acción de las nanopartículas sobre células bacterianas.

Fuente: Elaboración de los autores.
Las NPs de Cu y Ag han mostrado gran actividad antibacteriana sobre cepas de S.
aureus y P. aeruginosa sensibles o multirresistentes a
antibióticos convencionales (González-Vargas
et al., 2017). La incorporación de NPs metálicas en
polímeros con propiedades antimicrobianas, tales como la plata y el cobre entre
otras, ha permitido obtener nanocompuestos capaces de prevenir el crecimiento
y la
propagación de microrganismos, siendo las NPs de plata las cargas nanométricas
más
empleadas en polímeros sintéticos (España-Sánchez
et al., 2014) y naturales (Luna-Hernández et al., 2017). Asimismo, las
NPs son eficientes en la ruptura de estructuras de resistencia conocidas como
biopelículas, compuestas por células muertas, adn, proteínas y un polisacárido
extracelular que incrementa la resistencia de los microrganismos a los antibióticos
convencionales y a las defensas del hospedero (Kim,
2016). También se han descrito NPs que liberan fármacos de actividad
antibacteriana bajo ciertos estímulos (Chiang
et al., 2015).
Protozoarios
Entre la variedad de seres vivos, los protozoarios se caracterizan por ser microrganismos
unicelulares eucarióticos con capacidad para sobrevivir en diferentes ambientes.
Existen aquellos adaptados a vivir en condiciones aeróbicas y los que pueden hacerlo
en condiciones anaeróbicas. La mayoría son de vida libre, pero algunos son
comensales y otros pueden ser patógenos para el ser humano o para animales, por
lo
que se han diseñado NPs o nanocompuestos para su aplicación en el ámbito clínico
o
veterinario. Aunque el número de reportes es reducido, se han realizado diversas
investigaciones sobre el uso de las NPs metálicas o nanocompuestos sobre los
protozoarios (Figura 3).
Figura 3
Tipos de nanopartículas para combatir las infecciones por parásitos protozoarios.

Fuente: Elaboración de los autores.
Se han probado NPs de plata que mostraron actividad antiamibiana en contra de trofozoítos
de
Acanthamoeba castellanii, responsable de la encefalitis y
queratitis en el humano. Las nanopartículas de dicho elemento preparadas en un
extracto de una planta, mostraron 100% de inhibición del parásito con una
concentración de 50 mg/ml (Borase et
al., 2013). Las NPs de selenio, biosintetizadas por
Bacillus sp., mostraron buena actividad en contra de
Leishmania major. También se han probado NPs de óxido de zinc
sobre la misma especie de Leishmania, mostrando que son citotóxicas
para este parásito (Akbari et al.,
2017). Se ha estudiado el efecto de NPs de plata sobre
Giardia en ratas infectadas con este parásito, obteniéndose
buenos resultados después de evaluar el número de quistes/trofozoítos en las heces
(Said et al., 2012). Por
otro lado, se observó buena actividad de NPs de oro, plata o platino sobre
Toxoplasma gondii (Benelli,
2018). Asimismo, se investigó el efecto de las NPs de plata u óxido de
cobre sobre Entamoeba histolytica y Cryptosporidium
parvum, encontrándose alta actividad inhibitoria (Saad et al., 2015).
También se han investigado los efectos de NPs de plata u oro preparadas a partir de
extractos
de plantas sobre Leishmania, observándose que las primeras tuvieron
una IC50 de 4.37 mg/ml y las segundas de 5.29 mg/ml, respectivamente (citado por
Aderibigbe, 2017).
Además del efecto antiparasitario de las NPs metálicas, también se ha aplicado la
nanotecnología a fármacos antiparasitarios ya descritos, desarrollando preparados
en
forma de NPs para evaluar su efecto sobre los parásitos. Se analizaron NPs de
benznidazol sobre varios estadios de vida de Trypanosoma cruzi y
sobre la evolución de la infección experimental en ratones, obteniéndose buenos
resultados en ambos casos (Scalise et
al., 2016). En un estudio posterior, se encontró que tales
nanopartículas en un modelo similar de 30 días de evolución, se logró una inhibición
del 60% a una concentración de 25 mg/kg/día (Rial et al., 2017).
Con respecto a Plasmodium falciparum, las NPs de plata tuvieron
mayor actividad que la cloroquina; la IC50 fue de aproximadamente 50 mg/ml tanto
en
cepas sensibles como en resistentes a dicho fármaco (citado por Aderibigbe, 2017).
Las NPs poliméricas como nanocápsulas y nanoesferas se han aplicado como sistemas
acarreadores
o de liberación controlada y/o dirigida de fármacos. En uno de los estudios la
artemisinina se encapsuló en NPs de ácido poliláctico o poliglicólico, que fueron
eficaces para eliminar los parásitos de Leishmania donovani de
macrófagos de ratón in vitro, mientras que en otro enfoque el
sulfato de paromomicina fue introducido en NPs de lípidos sólidos y fue efectivo
en
ratones infectados con Leishmania (Akbari et al., 2017). Otros nanomateriales que se han
investigado sobre parásitos, han sido los nanotubos de carbonos, con multicapas,
los
cuales tuvieron un efecto letal sobre los trofozoítos de E.
histolytica usando concentraciones de 100 mg por cada 100,000 amibas
(Elias y cols., 2007).
Hongos
En el caso de los hongos, organismos que pueden atacar a plantas o al humano, es de
interés el
diseño de nanomateriales que funcionen como antifúngicos o que prevengan posibles
infecciones por estos microrganismos, pues son muy difíciles de eliminar cuando
atacan al huésped. Uno de los hongos patógenos oportunistas del humano es la
levadura del género Candida, que causa la candidiasis, siendo las
especies C. albicans, C. parapsilosis y C.
glabrata las principales causantes de esta enfermedad. Se ha descrito
que bioconjugados de NPs de oro presentan alta actividad antifúngica contra
C. albicans y Saccharomices cerevisiae (Das et al., 2009). NPs de plata
y oro son potentes antimicóticos contra levaduras patógenas oportunistas
(Candida y Cryptococcus) y dermatofitos
(Microsporum y Trichophyton) a concentraciones
que no resultaron tóxicas para queratinocitos en cultivo (Rónavári et al., 2018). La mezcla del
fungicida Trihexad 700 WP con NPs de plata conjugadas con quitosano presentó un
efecto fungicida sinérgico contra Pyricularia oryzae, el hongo que
ataca al arroz (Pham et al.,
2018). Las NPs de cobre también tienen efecto sobre diferentes levaduras
no patógenas (S. cerevisiae) y patógenas
(Candida), observándose que, al comparar la dosis letal media, los
hongos patógenos fueron menos sensibles (Islas-Robles, 2013). Esta menor susceptibilidad está relacionada con la
expresión de la cobretioneína que tiene la función de quelar el cobre intracelular
modulando sus efectos tóxicos (Lerch, 1980).
La actividad de las metalotioneínas es un mecanismo de detoxificación para
diferentes metales pesados (Hamer, 1986) que
podría incrementar las dosis tóxicas de NPs metálicas para levaduras.
Estrategias para combatir a los microrganismos patógenos usando la nanotecnología
Los nanocompuestos con nuevas propiedades fisicoquímicas tienen una amplia gama de
aplicaciones, como son la incorporación de componentes biológicos (como las enzimas)
o bien incorporando NPs metálicas con aplicaciones en la industria alimenticia
y de
empaquetamiento de perecederos, en la industria de textiles, en materiales
quirúrgicos y recientemente con un potencial para combatir enfermedades (Wu et al., 2017). Las NPs y
nanomateriales, no sólo tienen impacto como antimicrobianos, también en sistemas
de
liberación de fármacos, como acarreadores y adyuvantes para vacunas, recubriendo
dispositivos médicos y en el diagnóstico de los patógenos (Figura 4).
Figura 4
Uso de nanomateriales como antimicrobianos y en diferentes aplicaciones para el combate
de las infecciones microbianas.

Fuente: Elaboración de los autores.
Las NPs se pueden funcionalizar para facilitar la administración de medicamentos
antimicrobianos, superando así algunas de las limitaciones de los agentes
terapéuticos. En los últimos años, la encapsulación de fármacos en los sistemas
de
NPs ha surgido como una alternativa innovadora y prometedora que mejora la eficacia
terapéutica y minimiza los efectos secundarios indeseables de los medicamentos
(Zhang et al., 2010). La
síntesis verde de NPs metálicas y su incorporación a sistemas con fármacos ha
permitido obtener efectos sinérgicos sobre los microrganismos (Pham et al., 2018).
La importancia e impacto de las enfermedades causadas por microrganismos hace imperativo
desarrollar sistemas para el diagnóstico temprano y la contención de éstas. En vista
de la urgencia de diagnósticos sensibles, específicos, robustos y rápidos, se han
realizado numerosos avances en el área de diagnóstico. Uno de los enfoques es utilizar
nanomateriales para lograr la detección de agentes infecciosos, incluso en medios
complejos como la sangre y la orina. Se han abordado varias estrategias para el diagnóstico
de parásitos en el laboratorio, las cuales aún se encuentran a nivel experimental
y pueden extrapolarse a otros microrganismos.
Un método inmunológico ha sido el acoplamiento de anticuerpos antiooquiste con fosfatasa
alcalina sobre NPs de oro para detectar a Cryptosporidium parvum
(Benelli, 2018). Asimismo, NPs de silicio
fluorescentes con capacidad para unirse a la proteína A y un anticuerpo monoclonal
antiamiba fueron usadas para detectar trofozoítos de E. histolytica
por medio de microscopía de fluorescencia indirecta (Hemadi et al., 2015). En otros estudios, NPs de oro
funcionalizadas se conjugaron con cuatro sondas de oligonucleótidos para detectar
el
dna circular del cinetoplástido de Leishmania spp. en muestras
clínicas, mientras que otra alternativa para el mismo parásito ha sido la detección
de productos de pcr usando NPs de oro y flujo lateral de ácidos nucleicos (Akbari et al., 2017).
Recientemente, se ha reportado un biosensor para E. histolytica que
detecta un amplicón marcado con digoxigenina conjugado a NPs de oro (Foo et al., 2017). En el
ámbito de la prevención, las vacunas también son prometedoras pues están en
desarrollo sistemas nanométricos para Plasmodium y
Leishmania que actúan como adyuvantes o acarreadores de
antígenos (Benelli, 2018).
Todavía no es posible evaluar la utilidad real de todas estas nuevas tecnologías usando
a las
NPs, pero se espera comparar en el futuro con los métodos de referencia
inmunológicos o moleculares ya existentes. Las ventajas y utilidad de usar NPs
acopladas a otras moléculas y poder usarlas para, a su vez, detectar proteínas
o
ácidos nucleicos, en vez de anticuerpos, fluoróforos, etc., es que se aumenta
la
sensibilidad de la detección, se reduce el costo y se facilita su uso en diferentes
condiciones. A pesar de que recientemente se han desarrollado diferentes
metodologías para la evaluación antimicrobiana de NPs y su interacción con
microrganismos, es importante considerar todos los procesos celulares involucrados
y
sus posibles efectos tóxicos al interactuar con organismos vivos, por lo que el
estudio de la toxicidad de los nanomateriales representa un importante aporte
científico (Sharifi et al.,
2012). La regulación y cuestiones bioéticas sobre el uso de
nanomateriales son temas de especial relevancia que requieren una revisión
exhaustiva por especialistas en dichas áreas.
Evaluación de la actividad antimicrobiana de nanocompuestos
Se han establecido una variedad de técnicas de microbiología clásica para evaluar
la
viabilidad de las bacterias y la eficacia de las NPs como agentes antibacterianos.
Sin embargo, para la evaluación de la actividad antimicrobiana de diversos
nanomateriales que se pretenden introducir al mercado, se siguen diversos métodos
y
procedimiento de acuerdo con estándares internacionales tales como: International
Organization for Standardization (ISO), American Association of Textile Chemists
and
Colorists (AATCC), American Standard and Testing of Materials (ASTM), Japanese
Industrial Standards (JIS), entre otros. Dependiendo de la naturaleza del compuesto
nanoestructurado y de su potencial aplicación, se siguen protocolos para validar
su
actividad antimicrobiana. De esta manera, existen protocolos para plásticos, metales
(JIS Z 2801) y telas (AATCC-100-2012/ISO105-C06) entre otros, para lo cual se
emplean bacterias u hongos de referencia (ATCC). La principal diferencia entre
los
protocolos es el inóculo del microrganismo, temperatura, tiempo de incubación
y
medio de cultivo.