Dispositivo para el estudio de adhesión bacteriana en prótesis metálicas

UNERNOTICIAS entrevistó al doctor Gastón Miño quien se desempeña en el Laboratorio de Microscopía Aplicada a Estudios Moleculares y Celulares (LAMAE) perteneciente a la Facultad de Ingeniería-UNER-. El profesional describe en que consiste el “Dispositivo para el estudio de adhesión bacteriana en prótesis metálicas. Formación de biopelículas en contacto con superficies metálicas”; proyecto de investigación que viene desarrollándose en esa casa de altos estudios.

-¿Cuál sería la idea del proyecto?
El trabajo de investigación propuesto pretende diseñar dispositivos microfluídicos que posean la versatilidad suficiente para poder modificar el tipo de metal utilizado y las propiedades del material. Esto permitirá estudiar sistemáticamente la adhesión bacteriana a superficies metálicas, pudiéndose observar la dinámica de formación de biopelículas y caracterizar tanto propiedades del material utilizado, como así también el tipo de interacción con el agente patógeno. Es entender la naturaleza de las interacciones bacteria-metal, investigación básica con un alto componente interdisciplinario -biología, física, microfluídica, microscopia, bioingeniería, entre otras-, y que esperamos de respuesta a los procesos que suceden en una infección de prótesis real, con la consecuente búsqueda de fenómenos o estrategias que permitan disminuir esa adhesión bacteriana en metales y así reducir procesos infecciosos.

Contexto del tema: Las infecciones relacionadas con prótesis son complicaciones graves. Ante este cuadro, en la mayoría de las situaciones, la extracción de la prótesis infectada es la única solución para curar la infección y el paciente puede sufrir hasta tres cirugías (primera implantación, extracción de la prótesis infectada y reimplantación de otra prótesis). Si bien este proceso puede ser nefasto para el paciente, también produce un alto costo en salud. Por ejemplo en Estados Unidos, el tratamiento de infecciones en remplazo articular resulta en cientos de millones de dólares. Según estadísticas las cifras de pacientes con riesgo de infecciones de prótesis ira en aumento, dado que la tendencia mundial indican que el número de pacientes sobre 50 años con enfermedades óseas se duplicara para el 2020.

-¿Qué otros factores de riesgo producen infecciones?
Estudios realizados en la Clínica Santa Isabel en Buenos Aires, revelaron como otros factores de riesgos que podrían producir infecciones del sitio quirúrgico los relacionados a la edad del paciente -55 años-, la inmunosupresión y tiempos quirúrgicos mayores a una hora. Si bien las causas que producen las infecciones del sitio quirúrgico pueden atribuirse al control de calidad de aire de la sala quirúrgica, la incompleta desinfección de la piel, omisión de antibióticos profilácticos, respuesta inmune del paciente, existen numerosos aspectos íntimamente relacionados a las interacciones entre microbio y superíndice del implante.

-¿Profundizamos un poco más sobre el proceso de infección mediante implantes?
Las infecciones asociadas a implantes son el resultado de la adhesión bacteriana a la superficie de la prótesis y la subsecuente formación de biopelículas. La formación de biofilm tiene lugar en varias etapas, comenzando con la rápida adhesión a la superficie, seguida de la proliferación bacteriana en multicapas y la adhesión entre células en la matriz polisacárida extracelular. La formación de biopelículas en dispositivos médicos presenta, mayormente, tres problemas.
Primero, la comunidad bacteriana en esas superficies representa un reservorio de agentes patógenos que pueden ser liberados al organismo del paciente produciendo infecciones crónicas.
Segundo, las bacterias dentro de la biopelícula son altamente resistentes a los tratamientos con antibióticos. En consecuencia, una vez que la comunidad bacteriana se establece sobre la superficie, es extremadamente difícil su eliminación con terapias antimicrobianas convencionales. Por último, dado a que la respuesta del huésped y las terapias antimicrobiales son incapaces de eliminar el crecimiento de bacteria dentro del biofilm, se puede producir una respuesta inflamatoria crónica en el sitio del implante.

-Son diversas las bacterias que interactúan…
Estudios han investigado las interacciones de microorganismos con aceros inoxidables; cerámicas, y superficies metálicas oxidadas. Existen también trabajos realizados con diferentes tipos de bacteria, en particular de Estafilococo áureo y Estafilococo epidermidis, los cuales se encuentran en más de 50% de los casos de infecciones; aunque el número de microorganismos más frecuentes encontrados en infecciones de prótesis asciende a la decena. Si la adhesión bacteriana ocurre antes que suceda la regeneración tisular, la defensa del huésped a menudo no puede prevenir la colonización de la superficie de ciertos tipos de bacteria que son capaces de formar una capa de biofilm muy protegida. Por tal razón, la inhibición de la adhesión bacteriana es esencial para prevenir las infecciones asociadas a implantes, ya que el biofilm es resistente tanto a la respuesta inmune del paciente como a los tratamientos con antibióticos.

-Lo ideal es lograr cero posibilidad de infección mediante implante en cada operación…
Para procurar una cirugía de implante exitoso, el material debe favorecer la adhesión de osteoblastos, aumentando la formación de tejido conectivo blando y mantenerse aséptico. En las últimas décadas, se han incrementado significativamente los estudios de sistemas biológicos a nivel celular y molecular utilizando conocimientos provenientes de las ciencias básicas como la biología, la física, la química y la matemática, así como también desde las ciencias de la computación, la ingeniería y la bioinformática. Una de las principales causas de este incremento, ha sido el desarrollo de nuevas tecnologías que permitieron la manipulación y visualización de microorganismos y células.

-¿Qué es la Microfluídica?
La Microfluídica es una disciplina científica que estudia el comportamiento de los flujos en el interior de canales de dimensiones del orden de los micrómetros. Esta ciencia emergió en los años 80´, y se encuentra en la intersección de varias otras disciplinas como la biotecnología, la nanotecnología, la bioquímica, la química, la física y la ingeniería.
También puede ser considerada una tecnología ya que permite la fabricación de dispositivos aplicados tales como lab?on?a?chip. Desde el año 2000, el diseño de microcanales usando polímeros tales como polidimetilsiloxano ha experimentado un increíble crecimiento. Las áreas en las que esta tecnología se está aplicando son diversas y hoy en día ha alcanzado otras áreas como la geología, la ecología y las ciencias del medio ambiente.
Por otro lado, los últimos 20 años también han visto grandes avances en el campo del procesamiento de imágenes, los cuales han acompañado los desarrollos en las tecnologías ópticas y de instrumentación en el campo de la microscopia.

-¿Que comprendería este primer año de trabajo en el proyecto?
Se espera instrumentar casi en su totalidad el diseño e implantación del setup experimental. Las perspectivas son haber realizado las primeras experiencias con suspensiones de bacterias, tener un dispositivo microfluídico modelo que será la base para continuar con el resto del proyecto y haber explorado distintas técnicas microscópicas y procesamiento de imagen para la detección de la adhesión celular.
En cuanto al modelo biológico empleado, inicialmente se utilizará Escherichia coli dado su baja patogenicidad. Luego se procederá a estudiar microorganismos encontrados habitualmente en infecciones de prótesis. De esta manera el conocimiento aportado por la investigación, contribuirá a la formulación de nuevos protocolos de fabricación que eviten la colonización bacteriana sobre implantes metálicas.

-Finalmente, lo interdicisplinario de la tarea dará un aporte fundamental tanto a la UNER como a otras instituciones…
Precisamente, beneficiará a nuestra Universidad y permitirá fundar las bases para la creación de un nuevo grupo de investigación en la Facultad de Ingeniería. También impactará en la generación de colaboraciones con otras universidades nacionales, como así también con grupos internacionales que puedan aportar diferentes avances tecnológicos en el área de micro y nanofabricación de dispositivos.
Un punto importante a destacar es el carácter multidisciplinario del equipo formado de áreas como biotecnología, ingeniería agronómica y bioingeniería, particularmente propiciando cooperación con la cátedra de Microbiología y de Edafología de la Facultad Ciencias Agropecuarias de la UNER.

Contacto: Dr. Gastón Miño glmino@ingenieria.uner.edu.ar