El trabajo del Grupo de Nanoscopía Avanzada de IMDEA Nanociencia aprovecha la alta transparencia del hidrogel para investigar la respuesta de bacterias a terapias antimicrobianas mediante microscopía óptica
Los parches de hidrogel son habitualmente usados para aplicaciones de dermatología y dermocosmética, por su capacidad de retención de líquidos, propiedades adherentes y su elasticidad. La porosidad de los hidrogeles les hace candidatos ideales en el contexto de la administración de medicamentos, ya que su estructura molecular 3D permite la encapsulación de fármacos y moléculas fotoactivas.
En particular, algunos hidrogeles pueden encapsular moléculas –fotosensibilizadores- que activan especies reactivas de oxígeno cuando se iluminan con luz de una determinada longitud de onda. Estas especies reactivas pueden oxidar lípidos, proteínas, ADN y otras biomoléculas, generando así una acción antimicrobiana que se conoce como terapia fotodinámica. Un requisito importante para esta estrategia es que el hidrogel en el que se encapsulan dichos fotosensibilizadores sea altamente transparente para que la luz pueda activarlos de manera eficiente.
La alta transparencia de estos parches ha sido también clave en su estudio mediante técnicas de microscopía óptica. El Grupo de Nanoscopía Avanzada de IMDEA Nanociencia, dirigido por la Dra. Cristina Flors, ha conseguido estudiar y comprender el efecto de parches de PEGDA (en inglés, poly (ethylene glycol) diacrylate), un hidrogel altamente transparente que ha sido cargado con moléculas fotoactivas, sobre bacterias E.coli. Estos experimentos han captado los procesos de acción antimicrobiana y muerte bacteriana a nivel de célula individual, y en tiempo real, lo que les ha dado valiosa información sobre el proceso y cómo poder mejorarlo.
Las investigadoras se han servido del sistema regulador de división celular Min para observar los cambios en la fisiología de la bacteria. En condiciones normales, el sistema de proteínas Min oscila de polo a polo de la bacteria con el fin de marcar su centro y dividirse de manera simétrica. Por otra parte, la frecuencia de las oscilaciones pueden alterarse si la bacteria está sometida a condiciones de estrés, por ejemplo, estrés mecánico o la presencia de antibióticos.
Mediante una técnica avanzada de microscopía de fluorescencia, que pudo aplicarse gracias a la alta transparencia de los hidrogeles, observaron las oscilaciones Min en bacterias individuales, y en tiempo real, durante varios minutos. Los cambios en los patrones de oscilación del sistema Min revelaron los distintos mecanismos de muerte bacteriana, de lo que se pudo concluir que dicho mecanismo depende del método de elaboración del hidrogel. Se encontraron diferencias entre los hidrogeles que encapsulan la molécula fotoactiva de forma reversible o irreversible, ya que la movilidad del fotosensibilizador hacia la superficie del hidrogel está limitada en este último caso. Este estudio es pionero en determinar, en tiempo real y a nivel de célula individual, el proceso de degradación y muerte bacteriana con un nivel de detalle sin precedentes y en el entorno real de un parche de hidrogel.
Los resultados del laboratorio de la Dra. Flors revelan detalles del proceso antibacteriano en la superficie del hidrogel, que pueden ayudar a proporcionar pautas de diseño para materiales antibacterianos de nueva generación, como apósitos para heridas y otros parches para tratamiento clínico de afecciones de la piel.
Este trabajo es una colaboración entre investigadoras del Instituto Leibniz de Ingeniería de Superficies (Leipzig) y de IMDEA Nanociencia (Madrid). La investigación ha sido parcialmente financiada por el premio a la Excelencia Severo Ochoa a IMDEA Nanociencia.
Referencia bibliográfica: Ingrid V. Ortega, Tuğçe Şener Raman, Agnes Schulze, and Cristina Flors. In situ single-cell bacterial imaging provides mechanistic insight into the photodynamic action of photosensitizer-loaded hydrogels. ACS Applied Materials & Interfaces 2024 16 (5), 5677-5682. DOI: 10.1021/acsami.3c17916B.
