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Microbiología

Grafeno contra las infecciones

Un nanomaterial permite el uso de dosis bajas de luz para eliminar bacterias

Las bacterias Staphylococcus aureus y Escherichia coli (imágenes A y B) y los mismos microorganismos recubiertos por óxido de grafeno (C y D)

ROMERO, M. P. et al.

Cuando se lo administra en conjunto con la luz visible, el grafeno, una lámina de átomos de carbono dispuestos en forma hexagonal, presentó potencial para eliminar poblaciones de bacterias y la posibilidad de tratar infecciones de la piel. Un equipo científico del Centro de Investigaciones en Óptica y Fotónica (CePOF), del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP), y del Centro de Investigaciones Avanzadas en Grafeno, Nanomateriales y Nanotecnologías (MackGraphe), de la Universidad Presbiteriana Mackenzie, midió los efectos del uso de láminas de óxido de grafeno iluminadas por LEDs en el combate contra dos especies comunes de bacterias: Staphylococcus aureus y Escherichia coli, que fueron cultivadas en una solución en laboratorio. Las hojas de grafeno recubren a los microorganismos y potencian el efecto de la terapia lumínica.

“Eliminamos completamente las bacterias al cabo de 20 minutos de irradiación”, afirma la física ecuatoriana María Paulina Romero, una de las autoras del trabajo que expuso los resultados de los experimentos, publicados en el mes de enero en la revista científica Frontiers in Microbiology. La profesora Romero, quien actualmente se desempeña como docente en la Escuela Politécnica Nacional de Quito, realizó una pasantía posdoctoral en el IFSC entre 2017 y 2019.

Sin la ayuda de las láminas de óxido de grafeno, la luz roja de los LEDs que se utilizaron en el experimento, cuya longitud de onda era de 630 nanómetros, es capaz de iluminar y calentar a las bacterias pero no de aniquilarlas. En el estudio se emplearon láminas de óxido de grafeno de un tamaño de 2 mil nanómetros y de 340 nanómetros. Ambas bacterias respondieron en forma bastante similar a los test con las dos variantes del óxido de grafeno. La diferencia más sustancial fue que, debido a su morfología, S. aureus requería concentraciones mayores del nanomaterial que E. coli para ser recubierto completamente por las hojas del óxido de grafeno.

La dosis letal de la combinación de luz más óxido de grafeno también fue probada in vitro en fibroblastos, un tipo de células de la piel que se obtienen de los bebés recién nacidos y registró escasa o nula toxicidad, dependiendo de la variante del material empleada. Las láminas de óxido de grafeno fueron sintetizadas en el MackGraphe y las pruebas de acción antimicrobiana se llevaron a cabo en el CePOF, uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid) financiados por la FAPESP. “Para las aplicaciones biológicas, utilizamos protocolos criteriosos para la obtención del óxido de grafeno. La etapa de purificación del material es extremadamente importante”, explica la química Cecília Silva, del MackGraphe, otra de las autoras del paper. “Las impurezas presentes en el proceso de síntesis, tales como los iones metálicos y ácidos, pueden causar alteraciones en la viabilidad celular”. Con átomos de oxígeno y de hidrógeno asociados al panal hexagonal de carbonos, el óxido de grafeno conserva casi todas las propiedades del grafeno en estado puro, de extrema levedad, gran dureza y flexibilidad. Y su producción es más sencilla y menos costosa.

Con base en trabajos previos de grupos de investigación del exterior, los científicos de la USP y de Mackenzie sabían que la irradiación por luz roja provocaba que el grafeno eleve su temperatura y libere energía. Entonces se propusieron averiguar si esas propiedades térmicas y fotodinámicas podrían ser útiles para extinguir infecciones bacterianas. En los experimentos, notaron que al introducir las láminas de óxido de grafeno en las soluciones con los dos agentes infecciosos, el material recubría por completo a las bacterias y actuaba como potenciador de los efectos antimicrobianos de la luz. Cuando los LEDs –diodos emisores de luz– se enfocaban hacia las bacterias revestidas por el nanomaterial, eso liberaba moléculas de oxígeno (O) del óxido de carbono y la temperatura local aumentaba de 55 ºC a 60 ºC. “La radiación excita al oxígeno hasta el punto de transformarlo en un agente tóxico para las bacterias”, comenta Romero. “Utilizamos un dispositivo económico de LEDs rojos que nos permitió irradiar un área de al menos 12 centímetros cuadrados”.

Según la fisiopatóloga Natalia Inada, del IFSC, los resultados del trabajo indican que este nuevo abordaje podría utilizarse para desinfectar áreas grandes de la piel que no responden bien al tratamiento con antibióticos administrados por vía endovenosa. “El grafeno también tiene potencial para generar menos efectos colaterales y problemas de resistencia a los agentes microbianos”, dice Inada, también coautora del estudio. El físico Vanderlei Bagnato, coordinador del CePOF, quien también suscribió el artículo científico, hace hincapié en que el grafeno es un material con potencial de empleo en diversos campos del conocimiento. “Entre esas áreas, el sector de las ciencias de la vida y de la farmacología es uno de los más prometedores”, dice. El paso siguiente consistirá en testear la fototerapia potenciada por el grafeno en el tratamiento de tumores de piel.

Proyectos
1. CePOF-Centro de Investigación en Óptica y Fotónica (nº 13/07276-1); Modalidad Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid); Investigador responsable Vanderlei Salvador Bagnato (USP); Inversión R$ 44.106.793,11
2. Grafeno: Fotónica y optoelectrónica. Colaboración UPM-NUS (nº 12/50259-8); Modalidad Ayuda a la Investigación; Programa Spec; Investigador responsable Antonio Helio de Castro Neto (Universidad Presbiteriana Mackenzie); Inversión R$ 14.956.394,43

Artículo científico
ROMERO, M. P. et al. Graphene oxide mediated broad-spectrum antibacterial based on bimodal action of photodynamic and photothermal effects. Frontiers in Microbiology. 15 ene. 2020.

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