TERAPII ALTERNATIVE

Efectele antibacteriene ale nanoparticulelor de argint. Mecanisme de acţiune

 Antibacterian effect of silver nanoparticles. Mechanisms of action

First published: 30 septembrie 2018

Editorial Group: MEDICHUB MEDIA

DOI: 10.26416/FARM.183.3.2018.1964

Abstract

The in-depth knowledge of antibiotic bacterial resistance mechanisms makes it possible to modify the chemical structures of existing antibacterial drugs so they regain their effectiveness. Multidrug resistance reduces the risk-benefit ratio of antibiotics due to cumulative toxic effects of associated drugs. To antagonize bacterial resistance, it is attempted to introduce other therapeutic alternatives into the therapy alongside existing molecules. One of these is represented by silver nanoparticles (AgNp). Various technologies for obtaining AgNp are described in the literature, physical, chemical, biological and microbiological methods. Of these, microbiological methods offer important pharmacotherapeutic prospects, because it can optimize the antibacterial spectrum of nanoparticles.
The mechanisms of action of silver nanoparticles are still incompletely elucidated, but some subcellular and molecular targets are known, such as enzymes of energy metabolism, ribosomes and microbial DNA.
Improving the efficacy, stability, specificity, safety and biocompatibility of AgNp, administered alone or in combination with classical antibacterial drugs (antibiotics), can make them therapeutically viable alternatives to antimicrobial therapy.

Keywords
Humulus lupulus L., hop, xanthohumol, isoxanthohumol

Rezumat

Cunoaşterea aprofundată a mecanismelor de instalare a rezistenţei bacteriene la antibiotice permite modificarea structurilor chimice ale medicamentelor antibacteriene existente, astfel încât acestea să îşi recapete eficienţa. Rezistenţa multimedicamentoasă (multidrug resistance) reduce valoarea raportului risc/beneficiu al antibioticelor, ca urmare a cumulării efectelor toxice ale medicamentelor asociate. Pentru combaterea rezistenţei bacteriene se încearcă introducerea în terapie a altor alternative terapeutice alături de moleculele existente. Una dintre acestea este reprezentată de nanoparticulele de argint (AgNp). Sunt descrise în literatură diferite tehnologii de obţinere a AgNp – metode fizice, chimice, biologice şi microbiologice. Dintre acestea, metodele microbiologice oferă perspective farmacoterapeutice importante, deoarece se poate optimiza, astfel, spectrul antibacterian al nanoparticulelor.
Mecanismele de acţiune a nanoparticulelor de argint sunt încă incomplet elucidate, dar se cunosc unele ţinte subcelulare şi moleculare ale acestora, precum enzime ale metabolismului energetic, ribozomii şi ADN-ul microbian.
Îmbunătăţirea eficacităţii, stabilităţii, specificităţii, siguranţei şi biocompatibilităţii AgNp, administrate singure sau în asociere cu medicamente antibacteriene clasice (antibiotice), pot face din acestea alternative terapeutice viabile în terapia antimicrobiană.

Introducere

Antibioticele sunt considerate una dintre cele mai importante descoperiri din istoria farmaciei, dar utilizarea lor incorectă sau în exces a declanşat mecanismele de instalare a rezistenţei anumitor tulpini bacteriene, rezultând astfel „superbacterii” care nu mai răspund la acţiunea antibioticelor. Fenomenul de rezistenţă a patogenilor la mai mulţi agenţi antibacterieni poartă numele de rezistenţă multimedicamentoasă (multidrug resistance).

„Super Bugs”

În 2017, OMS a publicat o listă care cuprinde 12 „superbacterii”. În funcţie de gravitatea infecţiilor pe care le provoacă, în funcţie de gradul de letalitate, de rezistenţa la antibiotice deja dobândită, dar şi în funcţie de frecvenţa îmbolnăvirilor, acestea sunt grupate în trei clase prioritare:

A. Prioritate foarte înaltă:

  • Acinetobacter baumannii, rezistentă la carbapenem;

  • Pseudomonas aeruginosa, rezistentă la carbapenem;

  • Enterobacteriaceae spp., rezistente la carbapenem, ESBL-producing (ESBL – extended spectrum beta lactamase).

B. Prioritate înaltă:

  • Enterococcus faecium, rezistentă la vancomicină;

  • Staphylococcus aureus, meticilino-rezistentă, intermediar rezistentă şi rezistentă la vancomicină;

  • Helicobacter pylori, rezistentă la claritromicină;

  • Campylobacter spp., rezistente la fluorochinolone;

  • Salmonella, rezistentă la fluorochinolone;

  • Neisseria gonorrhoeae, rezistentă la cefalosporine şi la fluorochinolone.

Figura 1. Reprezentare schematică a design-ului nanoparticulelor de argint(4)
Figura 1. Reprezentare schematică a design-ului nanoparticulelor de argint(4)


C. Prioritate medie:

  • Streptococcus pneumoniae, rezistentă la penicilină;

  • Haemophilus influenzae, rezistentă la ampicilină;

  • Shigella spp., rezistente la fluorochinolone(9).

 Cunoaşterea detaliată a mecanismelor moleculare de instalare a rezistenţei bacteriene la medicaţia antibiotică permite dezvoltarea de noi molecule pentru eradicarea patogenilor care se adaptează rapid la tratamentele actuale.

Infecţia cu o bacterie multirezistentă deschide calea unui tratament de durată, costisitor, cu repercusiuni grave pentru pacient, ca urmare a cumulării efectelor toxice ale antibioticelor folosite(1). Pentru combaterea rezistenţei bacteriene se încearcă introducerea în terapie a alternativelor terapeutice alături de moleculele existente, una dintre acestea fiind nanoparticulele de argint (AgNp).

Repere cronologice

Argintul a fost folosit de sute de ani, înainte de identificarea agenţilor patogeni. Hipocrate folosea preparate cu argint pentru accelerarea vindecării rănilor şi a ulcerelor varicoase. Herodot afirma în scrierile sale faptul că regii persani păstrau apa în recipiente din argint. Aceasta era o practică des întâlnită în timpul războaielor din Antichitate, perpetuată şi în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, deoarece sursele de apă erau deficitare. În secolul al XVI-lea, Paracelsius a utilizat argint administrat atât intern, cât şi extern, sub forma nitratului de argint, pentru tratamentul plăgilor. În 1852, medicul J. Marion Sims a utilizat fire de argint în suturile rănilor, precum şi catetere din argint, fiind convins de acţiunea antibacteriană a metalului. În perioada interbelică au fost raportate primele cazuri vindecate de ulcere corneene şi de blefarite cu ajutorul argintului coloidal, de către Roe(2).

Concluzionând, de-a lungul istoriei, ionii şi coloizii de argint şi-au dovedit eficacitatea în conservarea apei, în tratamentul plăgilor, al afecţiunilor gingivale şi oftalmice, dar şi în tratamentul arsurilor.

Metode de obţinere a nanoparticulelor de argint(3)

1. Metode chimice

Principiul acestor metode constă în gruparea particulelor dintr-o soluţie în agregate atomice. Acest proces, cunoscut sub denumirea de nucleare, are loc când un complex de ioni de argint, precum AgNO3 sau AgClO4, este transformat în argint coloidal în prezenţa unui agent reducător. În momentul în care ionii metalici de argint dizolvaţi ating o concentraţie suficient de mare, aceştia agregă, formând o suprafaţă stabilă. Când grupul de ioni devine stabil din punct de vedere energetic, acesta rămâne în sistem şi creşte, fixând argint atomic din soluţie. În final, concentraţia argintului atomic din soluţie scade suficient de mult pentru a nu mai permite formarea altor agregate atomice. Argintul metalic rămas în soluţie este absorbit prin difuziune de către nanoparticulele aflate în creştere. În soluţie există molecule care difuzează şi se ataşează la suprafaţa nanoparticulelor formate, stabilizând energia de suprafaţă a acestora şi blocând astfel fixarea altor ioni de argint. În final, aceste molecule stopează creşterea particulelor, cele mai utilizate fiind citratul trisodic şi polivinilpirolidona.

Metodele chimice sunt:

  • Reducerea ionilor de argint la Ag metalic, cu ajutorul monozaharidelor

  • Reducerea ionilor de argint la Ag metalic, cu citrat trisodic

  • Reducerea ionilor de argint la Ag metalic, cu borohidrură de sodiu

  • Reducerea ionilor de argint la Ag metalic, cu ajutorul poliolilor

  • Însămânţarea nanoparticulelor, stabilizate de un ligand, într-o soluţie de creştere

  • Creşterea mediată de lumină

  • Sinteza AgNp cu ajutorul ultrasunetelor.

Figura 2. AgNp observate cu ajutorul HRTEM (microscopie electronică de transmisie de înaltă rezoluţie – www.shutterstock.com)
Figura 2. AgNp observate cu ajutorul HRTEM (microscopie electronică de transmisie de înaltă rezoluţie – www.shutterstock.com)


2. Metode biologice

Comparativ cu metodele chimice, metodele biologice de sinteză a AgNp nu folosesc agenţi reducători de sinteză, ci microorganisme sau plante, fiind considerate metode ecologice.

2.1 Sinteza AgNp folosind ca agenţi reducători specii de fungi sau bacterii

Fungii şi bacteriile sunt uşor de manipulat, putând fi modificate genetic relativ uşor. Se pot obţine astfel AgNp cu forma şi dimensiunea dorite:

  • Pseudomonas stutzeriAgNp cu diametrul de 200 nm

  • Bacillus subtilisAgNp cu diametrul cuprins între 5 şi 50 nm

  • Aspergillus terreusAgNp cu diametrul de la 1 la 20 nm.

2.2 Sinteza AgNp folosind extracte vegetale

Aceste metode nu sunt costisitoare, nu sunt toxice şi sunt mai rapide decât metodele care folosesc bacterii şi fungi. Folosind extracte vegetale, se obţin AgNp de dimensiuni diferite. Un exemplu de sinteză rapidă a nanoparticulelor de argint este sinteza din extract apos de Lycopersicon esculentum. Activitatea antibacteriană a AgNp astfel generate a fost testată folosind culturi bacteriene de Escherichia coli. La concentraţii de aproximativ 20 µg/mL, AgNp au realizat o zonă clară de inhibiţie, concentraţia minimă inhibitorie fiind de 50 µg/mL(5).
 

Figura 3. Mecanisme antibacteriene ale AgNp(7)
Figura 3. Mecanisme antibacteriene ale AgNp(7)

3. Metode fizice

Metoda prin evaporare-condensare şi ablaţia laser sunt două dintre cele mai cunoscute metode fizice de sinteză a AgNp. Comparativ cu metodele chimice, metodele fizice se remarcă prin distribuţia omogenă a AgNp şi prin absenţa solvenţilor reziduali. Ablaţia laser este unică prin nanoparticulele metalice pure, obţinute fără utilizarea reactivilor chimici în soluţie. Sinteza lentă şi consumul ridicat de energie reprezintă însă dezavantaje importante ale acestor metode.

Mecanismele activităţii antibacteriene ale AgNp

AgNp pot interacţiona cu celula bacteriană, ajungând, în cazul bacteriilor Gram-negative, să se acumuleze la suprafaţa celulei şi să producă modificări structurale ale peretelui bacterian, crescând astfel permeabilitatea acestuia. Dimensiunea AgNp, forma şi concentraţia acestora influenţează procesul de aderenţă la peretele bacterian(6).

Conform unui review publicat de Tikam Chand Dakal et al., cele mai importante mecanisme prin care AgNp îşi exercită acţiunea antimicrobiană sunt(7):

AgNp, încărcate pozitiv, aderă la suprafaţa peretelui celular al bacteriilor, încărcat negativ, având drept consecinţe modificarea morfologică a celulei bacteriene şi ruperea peretelui bacterian, urmată de pierderea citoplasmei şi apoi de apoptoza celulară.

AgNp pot pătrunde, de asemenea, în interiorul celulei şi al nucleului, destabilizând structurile intracelulare: rezultă disfuncţie mitocondrială, destabilizarea şi denaturarea proteinelor, alterarea ribozomilor, interacţiunea cu ADN-ul.

AgNp produc citotoxicitate şi stres oxidativ. Producerea de specii reactive de oxigen (SOR) de către AgNp explică acţiunile antibacteriană, antifungică şi antivirală ale acestora. SOR oxidează proteinele şi lipidele, dar şi bazele azotate ale ADN-ului.

Modularea căilor de semnalizare celulară. Fosforilarea substraturilor proteice stă la baza replicării ADN-ului şi a metabolismului bacterian. AgNp intervin prin defosforilarea reziduurilor de tirozină (Tyr) ale unor substraturi peptidice bacteriene importante, inhibând astfel dezvoltarea bacteriană.

Principalele mecanisme de acţiune antibacteriană a AgNp sunt sintetizate în tabelul 1.
 

Tabelul 1. Mecanisme antibacteriene ale nanoparticulelor de argint (adaptat după Franci et al.)
Tabelul 1. Mecanisme antibacteriene ale nanoparticulelor de argint (adaptat după Franci et al.)

AgNp îşi exercită acţiunea antimicrobiană atât singure, cât şi în asociere cu antibiotice. Compararea acţiunii antibacteriene de sine stătătoare a AgNp sintetizate prin reducerea AgNO3 utilizând soluţie apoasă de carboximetilceluloză sodică, cu efectul sinergic (AgNp + antibiotic cu spectru larg) asupra speciilor bacteriene patogene testate, relevă o inhibiţie a creşterii bacteriene mai intensă în cazul utilizării unui antibiotic cu spectru larg alături de nanoparticulele sintetizate(8).

Concluzii

Faptul ca agenţii patogeni sunt din ce în ce mai agresivi, reuşind să se adapteze la noile terapii antimicrobiene prin dobândirea de rezistenţă multimedicamentoasă, reprezintă o provocare pentru perfecţionarea moleculelor existente în scopul creşterii eficienţei şi succesului tratamentului.

În acest sens, acţiunea antibacteriană a nanoparticulelor de argint oferă perspective farmacoterapeutice, care necesită însă o aprofundare mecanicistă riguroasă. 

Bibliografie

  1. Tenover FC. Mechanisms of antimicrobial resistance in bacteria. Am J Med. 2006;6 (Suppl 1):S3-10.
  2. Alexander JW. History of the Medical Use of Silver. Surgical Infections. 2009; 10(3):289-92.
  3. Iravani S, Korbekandi H, Mirmohammadi SV, Zolfaghari B. Synthesis of silver nanoparticles: chemical, physical and biological methods. Research in Pharmaceutical Sciences. 2014; 9 (6): 385–406.
  4. Agnihotri S, Mukherji S, Mukherji S. Size-controlled silver nanoparticles synthesized over the range 5–100 nm using the same protocol and their antibacterial efficacy. RSC Adv. 2014; 4, 3974-3983.
  5. Maiti S, Krishnan D, Barman G, Ghosh SK, Laha JK. Antimicrobial activities of silver nanoparticles synthesized from Lycopersicon esculentum extract. Journal of Analytical Science and Technology. 2014; 5:40.
  6. Franci G, Falanga A, Galdiero S, Palomba L, Rai M, Morelli G, Galdiero M. Silver Nanoparticles as Potential Antibacterial Agents. Molecules. 2015; 20(5): 8856-74.
  7. Dakal TC, Kumar A, Majumdar RS, Yadav V, Mechanistic Basis of Antimicrobial Actions of Silver Nanoparticles. Frontiers in Microbiology. 2016; 7: 1831.
  8. Prema P, Thangapandiyan S. CMC stabilized nano silver synthesis, characterization and its antibacterial and synergistic effect with broad spectrum antibiotics. Carbohydrate Polymers. 2017; 158: 141-148.
  9. www.who.int

Articole din ediţiile anterioare

GEMOTERAPIE | Ediţia 5 190 / 2019

Echilibrul interior

Sorina Soescu

Cele mai multe suferinţe ale oamenilor apar din interpretările pe care mintea le dă realităţii în care trăieşte corpul. Cu alte cuvinte, nu ceea ce...

30 octombrie 2019
TERAPII ALTERNATIVE | Ediţia 182 (3) / 2018

Actualităţi şi beneficii ale extractului de hamei (Humulus lupulus L.)

Elis Ionus, Laura Bucur

Cunoscut sub pseudonimul „aurul verde“, hameiul este o plantă perenă, dioică, ce poate ajunge la o înălţime de 6-9 metri şi poate trăi 12-20 de ani...

28 mai 2018