Biosíntesis de nanopartículas metálicas y caracterización de sus efectos en modelos fúngicos y líneas celulares humanas

Abstract

Desde 1974, cuando se definió el término nanotecnología, hasta la actualidad, esta ciencia ha revolucionado diversas industrias y áreas científicas, incluida la biomedicina, gracias a las propiedades únicas de los nanomateriales. En particular, las nanopartículas metálicas (NPs) han demostrado un gran potencial en aplicaciones antimicrobianas y biomédicas debido a su capacidad para interactuar con microorganismos y células humanas. Sin embargo, tanto su síntesis como sus efectos antimicrobianos y citotóxicos siguen siendo objeto de extensa investigación. La biosíntesis de NPs mediante microorganismos ha surgido como una alternativa ecológica y eficiente a los métodos tradicionales químicos y físicos, permitiendo obtener partículas con características controladas y con mayor biocompatibilidad. En este trabajo, se investigó la biosíntesis de NPs de cobre (CuNPs), zinc (ZnNPs) y hierro (FeNPs) mediante el uso de las bacterias Pseudomonas aeruginosa y Escherichia coli. La caracterización de las NPs incluyó técnicas de espectroscopía UV-Vis, medición del potencial zeta, análisis de tamaño mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM) y dispersión dinámica de la luz (DLS), y análisis del capping por espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR) y electroforesis en SDS-PAGE seguido de una tinción de plata. Se logró optimizar exitosamente la síntesis biológica de CuNPs, ZnNPs y FeNPs y caracterizar sus propiedades fisicoquímicas, incluyendo tamaño, estabilidad y composición química. En general, las NPs biosintetizadas presentaron tamaños por debajo de 30 nm y buena estabilidad coloidal. Para evaluar la actividad antibacteriana de las NPs contra las bacterias E. coli y Staphylococcus aureus, y la actividad antifúngica contra los hongos Candida albicans y Candida tropicalis, se realizaron ensayos de difusión en agar mediante el método de Kirby-Bauer y estudios de inhibición de biofilms. Las FeNPs no mostraron actividad antimicrobiana ni antifúngica. Las CuNPs y ZnNPs mostraron actividad antifúngica frente a C. albicans y C. tropicalis. Asimismo, ambas NPs demostraron capacidad antimicrobiana contra S. aureus. No obstante, en el caso de E. coli, las CuNPs no evidenciaron efectos bactericidas. Además, las ZnNPs presentaron propiedades antibiofilm. Por último, los efectos de las NPs metálicas se analizaron en dos líneas celulares humanas: HaCaT (queratinocitos) y HTR-8/SVneo (trofoblastos), evaluando la viabilidad celular, la producción de especies reactivas de oxígeno (EROs), los efectos sobre la migración celular y la actividad del sistema de defensa antioxidante. En general, las NPs generan una disminución dosis-dependiente de la viabilidad celular, generando principalmente EROs. Se evidenció que las tres NPs producen una inducción significativa de la enzima SOD, siendo la principal respuesta del sistema de defensa antioxidante. No obstante, esta activación no logra contrarrestar el estrés oxidativo generado y conduce a las alteraciones celulares observadas. Los resultados obtenidos demuestran que la síntesis biogénica de NPs metálicas es una estrategia viable para el desarrollo de agentes antimicrobianos. Tanto las CuNPs como ZnNPs presentan un gran potencial en la lucha contra patógenos bacterianos y fúngicos, lo que las posiciona como candidatos prometedores en aplicaciones biomédicas y farmacéuticas. No obstante, la citotoxicidad observada en células humanas resalta la necesidad de optimizar su diseño y evaluar estrategias para reducir sus efectos adversos. Por otro lado, las FeNPs podrían ser consideradas para aplicaciones que requieran alta biocompatibilidad, dado que han mostrado una menor toxicidad en comparación con las otras NPs.

Since 1974, when the term nanotechnology was defined, this science has revolutionized various industries and scientific fields, including biomedicine, thanks to the unique properties of nanomaterials. In particular, metal nanoparticles (NPs) have demonstrated great potential in antimicrobial and biomedical applications due to their ability to interact with microorganisms and human cells. However, both their synthesis and their antimicrobial and cytotoxic effects remain the subject of extensive research. The biosynthesis of NPs by microorganisms has emerged as an environmentally friendly and efficient alternative to traditional chemical and physical methods, allowing the production of particles with controlled characteristics and greater biocompatibility. In this work, the biosynthesis of copper (CuNPs), zinc (ZnNPs), and iron (FeNPs) NPs was investigated using the bacteria Pseudomonas aeruginosa and Escherichia coli. The characterization of the NPs included UV-Vis spectroscopy techniques, zeta potential measurement, size analysis using transmission electron microscopy (TEM) and dynamic light scanning (DLS), and capping analysis using Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and SDS-PAGE electrophoresis followed by silver staining. The biological synthesis of CuNPs, ZnNPs, and FeNPs was successfully optimized, and their physicochemical properties, including size, stability, and chemical composition, were characterized. Overall, the biosynthesized NPs showed sizes below 30 nm and good colloidal stability. To evaluate the antibacterial activity of the NPs against the bacteria E. coli and Staphylococcus aureus, and the antifungal activity against the fungi Candida albicans and Candida tropicalis, agar diffusion assays using the Kirby-Bauer method and biofilm inhibition studies were performed. FeNPs did not exhibit antimicrobial or antifungal activity. CuNPs and ZnNPs showed antifungal activity against C. albicans and C. tropicalis. Likewise, both NPs demonstrated antimicrobial capacity against S. aureus. However, in the case of E. coli, CuNPs did not demonstrate bactericidal effects. Furthermore, ZnNPs exhibited antibiofilm properties. Finally, the effects of the metallic NPs were analyzed in two human cell lines: HaCaT (keratinocytes) and HTR-8/SVneo (trophoblasts), evaluating cell viability, reactive oxygen species (ROS) production, effects on cell migration, and antioxidant defense system activity. In general, the NPs generate a dose-dependent decrease in cell viability, primarily generating ROS. It was evident that all three NPs produce a significant induction of the SOD enzyme, which is the main response of the antioxidant defense system. However, this activation fails to counteract the oxidative stress generated and leads to the observed cellular alterations. The results obtained demonstrate that the biogenic synthesis of metallic NPs is a viable strategy for the development of antimicrobial agents. Both CuNPs and ZnNPs show great potential in the fight against bacterial and fungal pathogens, positioning them as promising candidates for biomedical and pharmaceutical applications. However, the cytotoxicity observed in human cells highlights the need to optimize their design and evaluate strategies to reduce their adverse effects. On the other hand, FeNPs could be considered for applications requiring high biocompatibility, given that they have demonstrated lower toxicity compared to other NPs.