Efecto antimicrobiano, citotóxico y potencial andamio de coberturas poliméricas nanoestructuradas como alternativa de tratamiento en heridas de la piel

MONTSERRAT LOPEZ CARRIZALES (2023)

Las coberturas electrohiladas de alcohol polivinílico (PVA) son materiales prometedores para su aplicación en curación de heridas e ingeniería de tejidos, debido a que son biocompatibles con células humanas. Sin embargo, la baja estabilidad en agua de estas coberturas ha limitado su uso en el área biomédica. En este estudio se prepararon novedosas coberturas electrohiladas de PVA las cuales fueron reticuladas térmicamente (150 °C por 24 h) y caracterizadas por diferentes técnicas analíticas y cargadas con nanopartículas de óxido de plata (Ag2ONPs) e hidrocloruro de ciprofloxacina (CIP) de manera independiente y en combinación. El comportamiento de liberación de las Ag2ONPs y CIP se estudió por espectroscopía de absorción atómica y espectrofotometría UV-Visible, respectivamente. La actividad antimicrobiana de las coberturas se evaluó por el ensayo de curvas de letalidad contra cepas de referencia y bacterias multidrogorresistentes (MDR). La biocompatibilidad se determinó sobre fibroblastos dérmicos humanos (FDH) por el método de calceína/homodímero de etidio y el ensayo de bromuro de 3-(4,5- dimetiltiazol-2-ilo)-2,5-difeniltetrazol (MTT). Los resultados mostraron que el tratamiento de reticulación incrementó la temperatura de fusión y la cristalinidad de los materiales, así como su estabilidad en agua. Se encontró que el diámetro promedio de fibra de la cobertura de PVA sin agentes antimicrobianos fue de 412.50 nm y que la adición de CIP incrementó el diámetro. El análisis por difracción de rayos X confirmó la presencia de Ag2ONPs en las coberturas poliméricas, y los espectros de infrarrojo sugirieron que los agentes antimicrobianos interactúan con el PVA mediante fuerzas de Van der Waals. Las cinéticas de liberación mostraron que el CIP tiene una liberación tipo ráfaga durante los primeros 30 min, seguido de una liberación sostenida, mientras que la concentración máxima de Ag en buffer de fosfatos se alcanzó a las 2 h de inmersión. Se encontró que la cobertura cargada con la combinación de Ag2ONPs y CIP tiene un efecto sinérgico al requerirse menores concentraciones de los agentes antimicrobianos, así como menor tiempo para inhibir el crecimiento de bacterias MDR en comparación con sus similares cargadas únicamente con Ag2ONPs o CIP. Además, las coberturas son biocompatibles con los FDH al no alterar su morfología ni metabolismo mitocondrial, lo cual sugiere que estos materiales podrían ser utilizados como andamios celularizados para el tratamiento de heridas abiertas de la piel.

Polyvinyl alcohol (PVA) electrospun membranes are promising materials for application in wound healing and tissue engineering because they are biocompatible with human cells. However, the poor stability in aqueous medium of these membranes has limited their use in the biomedical area. In this study, novel electrospun PVA membranes thermally crosslinked (150 °C for 24 h) and characterized by different analytical techniques were loaded with silver oxide nanoparticles (Ag2ONPs) and ciprofloxacin hydrochloride (CIP) prepared independently and in combination. The release behavior of Ag2ONPs and CIP was studied by atomic absorption spectroscopy and UV-Visible spectrophotometry, respectively. The antimicrobial activity of the membranes was evaluated by the time-kill assay against reference strains and multidrug resistant (MDR) bacteria. Biocompatibility was determined on human dermal fibroblasts (HDF) by the calcein/ethidium homodimer method and the 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazole bromide (MTT) assay. The results showed that the crosslinking treatment increased the melting temperature and crystallinity of the materials, as well as their stability in water. It was found that the average fiber diameter of the PVA membrane without antimicrobial agents was 412.50 nm, and that the addition of CIP increased the diameter. X-ray diffraction analysis confirmed the presence of Ag2ONPs in the polymeric membranes, and infrared spectra suggested that antimicrobial agents interact with PVA through Van der Waals forces. The release kinetics of CIP from the electrospun membranes showed a burst release during the first 30 min followed by a sustained release, while the maximum Ag concentration in phosphate buffer was reached after 2 h of immersion. It was found that the PVA electrospun membranes loaded with the combination of Ag2ONPs and CIP, have a synergistic effect since lower concentrations of antimicrobial agents are required, as well as shorter time to inhibit the growth of MDR bacteria compared to their counterparts loaded only with Ag2ONPs or CIP. Furthermore, the membranes are biocompatible with HDF since they do not alter neither morphology nor mitochondrial metabolism, suggesting that these materials could be used as cellularized scaffolds for wounds treatment.

Tesis de doctorado

BIOLOGÍA Y QUÍMICA MEDICINA Y CIENCIAS DE LA SALUD INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

Evaluación in vitro de la actividad antibiopelícula de nanocompositos con y sin antibiótico en biopelículas monoespecie de aislados clínicos

MONTSERRAT LOPEZ CARRIZALES (2019)

El tratamiento de infecciones en pacientes con catéter venoso central (CVC) se ha convertido en un desafío para el sector salud, debido a su asociación con agentes patógenos formadores de biopelículas, las cuales son definidas como un consorcio de microorganismos que crecen embebidos en una matriz de exopolisacáridos. Estas estructuras les proporcionan a los microorganismos resistencia contra los antibióticos y el sistema inmune del huésped, además de conferirles la capacidad de diseminarse a otros sitios del cuerpo. Con la finalidad de evitar la formación de biopelículas en sus etapas tempranas, se han propuesto estrategias como el recubrimiento antimicrobiano y modificaciones superficiales de los dispositivos médicos. El uso de nanopartículas de plata (AgNPs) y polímeros naturales como el quitosán, son de gran interés por su actividad antimicrobiana y biocompatibilidad, respectivamente. El propósito de este estudio fue formular hidrogeles de quitosán cargados con diferentes concentraciones de AgNPs y ampicilina (AMP), antimicrobianos que previamente mostraron acción sinérgica, para prevenir la formación temprana de biopelículas de microorganismos multirresistentes de aislamientos clínicos. Los hidrogeles de quitosán se caracterizaron utilizando diferentes técnicas analíticas: reometría, espectroscopía infrarroja por transformada de fourier (FTIR), espectroscopía Raman y microscopía electrónica de barrido (MEB). El efecto antibiopelícula se estudió contra cuatro aislados clínicos multirresistentes (Acinetobacter baumannii, Enterobacter cloacae, Enterococcus faecium y Staphylococcus epidermidis) por el modelo de colonia. Además, el efecto citotóxico de los hidrogeles se evalúo sobre fibroblastos dérmicos humanos (FDH). Se encontró que los hidrogeles formulados fueron biocompatibles con los FDH y capaces de inhibir la formación de biopelículas de microorganismos multirresistentes. Los resultados sugieren que los hidrogeles de quitosán cargados con agentes antimicrobianos (AgNPs y AMP) podrían ser utilizados como tratamiento profiláctico en pacientes con CVC, al inhibir la formación de biopelículas en etapas tempranas.

The treatment of infections in patients with central venous catheter (CVC) has become a challenge for the healthcare services, due to its association with biofilm-forming of pathogen agents, which is defined as a consortium of microorganisms that grow embedded in an exopolysaccharide matrix. These structures provide resistance against antibiotics and the host’s immune system, as well as the ability to spread to other sites in the body. In order to avoid the formation of biofilms in their early stages, strategies such as antimicrobial coating and surface modifications of medical devices have been proposed. The use of silver nanoparticles (AgNPs) and natural polymers such as chitosan, are of great interest for their antimicrobial activity and biocompatibility, respectively. The purpose of this study was to generate chitosan hydrogels loaded with different concentrations of AgNPs and ampicillin (AMP) to prevent early biofilm formation of multi-resistant microorganisms isolated from patients with medical devices. Chitosan hydrogels were characterized using different analytical techniques such as rheological test, fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, Raman spectroscopy and scanning electron microscopy (SEM). The antibiofilm effect of the different formulations was studied against four representative multi-resistant clinical isolates (Acinetobacter baumannii, Enterobacter cloacae, Enterococcus faecium y Staphylococcus epidermidis) using the colony biofilm model. Moreover, the cytotoxic effect of chitosan hydrogels was evaluated on human dermal fibroblasts (HDF). It was found that the formulated chitosan hydrogels were biocompatible with HDF and able of inhibiting the formation of biofilms of multi-resistant microorganisms. The results suggest that chitosan hydrogels loaded with antimicrobial agents (AgNPs and AMP) could be used as prophylactic treatment in patients with CVC, by inhibiting the formation of biofilms in early stages.

Tesis de maestría

BIOLOGÍA Y QUÍMICA MEDICINA Y CIENCIAS DE LA SALUD INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA