Nanotecnología aplicada a la terapia fotodinámica antimicrobiana: Una alternativa terapéutica para infecciones cutáneas

Dra. Isabel Hagel.
Inmunólogo
Instituto de Biomedicina, Facultad de Medicina, Universidad Central de Venezuela.

La piel es una de las primeras líneas de defensa contra la invasión microbiana. Las infecciones bacterianas tópicas representan algunas de las enfermedades infecciosas más comunes en todo el mundo. Habitualmente se tratan mediante la aplicación de antibióticos tópicos o antisépticos. Sin embargo, el aumento del número de bacterias multirresistentes a antibióticos ha llevado a la necesidad de buscar terapias antimicrobianas alternativas entre las cuales se encuentra la Terapia Fotodinámica antimicrobiana (TDFa). 

Como es bien conocido, la TFD es un procedimiento terapéutico mínimamente invasivo basado en el uso de moléculas fotosensibilizadoras capaces de absorber energía luminosa de una determinada longitud de onda que en presencia de oxígeno molecular pueden ejercer un efecto citotóxico. La TFD comprende tres componentes principales que son  el fotosensibilizador (FS), oxígeno molecular y fuente de luz. Cuando el FS se expone a la longitud de onda correcta de luz en presencia de oxígeno, inicia una reacción fotoquímica que culmina en la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS) u oxígeno monoatómico que ejercen efectos tóxicos a la bacteria. Se puede diferenciar entre cuatro grandes grupos de FS en función de su origen y estructura: colorantes sintéticos, estructuras de tetrapirrol, FS naturales y nanoestructuras. 

Las moléculas aromáticas policíclicas como el azul de metileno y el azul de tolueno poseen una carga catiónica intrínseca que las hace efectivas como FSs tanto frente a bacterias Gram positivas como Gram negativas cuando son activadas con luz LED. También ha sido efectivo el Verde de Indiocianina (ICG) utilizando radiación infrarroja cercana (NIR) como activador. Los efectos fotooxidativos causados ??por la mayoría de estos FS en microorganismos tienen múltiples blancos, como el ADN, la integridad de la membrana, la actividad de las proteasas y los lipopolisacáridos. Diferentes FS tienen distintos grados de permeabilidad para cada célula y diferente afinidad por las estructuras celulares. Esta multiplicidad representa una de las ventajas más importantes de los FS frente a los antimicrobianos tradicionales. Además, dado que los FS no tienen un único objetivo específico, el riesgo de desarrollar algún tipo de resistencia es muy poco probable. La producción de ROS en varias estructuras celulares, conduce a la destrucción de la célula, lo que ayuda a respaldar la hipótesis de que la aPDT es una alternativa viable a los antimicrobianos(1).

Sin embargo durante la interacción con fotones de una longitud de onda específica, para lograr un estado excitado de alta energía y luego transferir esta energía al regresar al estado fundamental para formar ROS con el O₂ tisular, el fotosensibilizador puede sufrir daños moleculares causados por ruptura de enlaces covalentes o reacciones no específicas entre el fotosensibilizador y las moléculas circundantes, después de lo cual pierde actividad en un proceso conocido como fotoblanqueo lo cual es una desventaja de este enfoque terapéutico. Además, la aplicación limitada de la mayoría de las fuentes de luz utilizadas complica su aplicación para infecciones profundas(1). 

Así, se ha planteado que el uso de nanopartículas biocompatibles como portadores para llevar el FS a los microorganismos puede ayudar a mejorar el rendimiento antimicrobiano de la aPDT.  Por ejemplo, se ha utilizado el ácido poli láctico-co-glicólico (PLGA) como portador de curcumina (compuesto fenólico). Este FS había mostrado potencial para TDFa como una opción de bajo costo, fácil de usar y altamente efectiva, pero se había visto obstaculizado por su baja solubilidad acuosa y rápida hidrólisis. En combinación con PLGA mejoró su estabilidad biológica y aumentó su solubilidad en agua, lo que lo convierte en una opción viable para futuras aplicaciones clínicas(2). 

Recientemente se ha logrado la producción de compuestos basados en liposomas conteniendo ICG a base de 1,2-dioleoil-3-trimetilamonio-propano (DOTAP). La buena distribución de las moléculas de ICG en las membranas de los liposomas catiónicos basados en DOTAP conduce a una fluorescencia y a un rendimiento fototérmico óptimos, por lo que se los encapsuló en un hidrogel autorregenerable formado por goma guar a través de la interacción borato/diol. El hidrogel liposomal cargado con ICG resultante no solo puede convertir la luz del infrarrojo cercano (NIR) en calor de manera efectiva, sino que también puede repararse a sí mismo sin ayuda externa, lo que lo convierte en un buen candidato para la TFD y TTD contra infecciones bacterianas y otras aplicaciones clínicas(3). 

Por otra parte, también se ha ensayado el uso de nanopartículas activas, tales como nanopartículas plasmónicas (partículas metálicas de dimensiones nanométricas, cuya densidad electrónica puede acoplarse con la radiación electromagnética) directamente como fotosensibilizadores. En este sentido se han probado nanopartículas de CuS que absorben luz en la región NIR del espectro electromagnético. La absorción NIR aumenta en gran medida la penetración de la luz en la piel, lo que permite el tratamiento de infecciones más profundas. Las nanopartículas CuS han demostrado tener un efecto antimicrobiano utilizando concentraciones subcitotóxicas tanto en bacterias Gram positivas como Gram negativas(4). Por sí mismo, si bien su efecto antimicrobiano es bajo en comparación con otros FS, su penetración más profunda podría convertirlo en una opción muy interesante para infecciones más profundas y debido a que necesita un tiempo de irradiación mucho más corto podría ser una opción terapéutica atractiva (4). 

Además, estas nanopartículas de CuS pueden ser utilizadas en combinación con otros fotosensibilizadores como ICG, logrando mejores efectos antimicrobianos a muy bajas concentraciones. Otra posibilidad es su combinación con antibióticos tópicos, ya que esta estrategia ha demostrado ser bastante efectiva para otros fotosensibilizadores. En otro trabajo se estudió el efecto de la combinación de ICG con nanopartículas de óxido de hierro superparamagnético recubiertas con 3-aminopropilsilano (APTMS@SPIONs) sobre aislados de células y biopelículas de bacterias Gram-negativas (E. coli, K. pneumoniae, P. aeruginosa) y bacterias Gram-positivas (S. epidermis), utilizando NIR como fuente de radiación. El tratamiento ICG-APTMS@SPION/NIR resultó en la muerte completa de todas las células bacterianas y la erradicación exitosa de todas las biopelículas. La producción de ROS y el aumento de la temperatura local de las biopelículas que se sometieron a fototerapia sugieren una combinación de mecanismos termodinámicos (aPDT) y fotodinámicos (aPTT) para la fototoxicidad como resultado de la utilización del sistema ICG-APTMS@SPION/NIR. Este enfoque abre una vía novedosa en la lucha contra las infecciones resistentes a los medicamentos, al utilizar con éxito la actividad antimicrobiana y antibiopelícula de ICG, a bajas dosis (aprobado por la FDA) combinada con la actividad de nanopartículas de óxido de hierro clínicamente aceptables de costo relativamente bajo para permitir una combinación efectiva de aPDT / aPTT(5). Sin embargo, estas investigaciones son todavía a nivel experimental y sus efectos en términos de bioseguridad y toxicidad en modelos animales y ensayos clínicos controlados deben aún ser estudiados.

 

1. Wei G, Yang G, Wang Y, Jiang H, Fu Y, Yue G, et al. Phototherapy-based combination strategies for bacterial infection treatment [Internet]. Vol. 10, Theranostics. 2020 [cited 2022 Apr 16]. p. 12241–62. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7667673/

2. Uroševi? M, Nikoli? L, Gaji? I, Nikoli? V, Dini? A, Miljkovi? V. Curcumin: Biological Activities and Modern Pharmaceutical Forms [Internet]. Vol. 11, Antibiotics. 2022 [cited 2022 Apr 16]. Available from: https://www.mdpi.com/2079-6382/11/2/135

3. Ni Z, Hu J, Ye Z, Wang X, Shang Y, Liu H. Indocyanine Green Performance Enhanced System for Potent Photothermal Treatment of Bacterial Infection. Mol Pharm. 2021; 

4. Qiao Y, Ping Y, Zhang H, Zhou B, Liu F, Yu Y, et al. Laser-Activatable CuS Nanodots to Treat Multidrug-Resistant Bacteria and Release Copper Ion to Accelerate Healing of Infected Chronic Nonhealing Wounds. ACS Appl Mater Interfaces. 2019 Jan 30;11(4):3809–22. 

5. Bilici K, Atac N, Muti A, Baylam I, Dogan O, Sennaroglu A, et al. Broad spectrum antibacterial photodynamic and photothermal therapy achieved with indocyanine green loaded SPIONs under near infrared irradiation. Biomater Sci [Internet]. 2020 [cited 2022 Apr 16];8(16):4616–25. Available from: https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2020/bm/d0bm00821d