Mikrobioak eta gainazalak: arazoa eta konponbidea?

Iñigo Braceras Izagirre

TECNALIA, Basque Research and Technology Alliance (BRTA)ko ikertzailea

Naroa Imaz Molina

CIDETEC, Basque Research and Technology Alliance (BRTA)ko ikerlaria

COVID-19a dela medio, eguneroko albiste bihurtu zaizkigu gaixotasun infekziosoak. Dena den, gaixotasun horiekiko kezka aurretikoa da, mikrobioak antibiotikoekiko erresistentzia garatzen ari baitira etengabe. Hori dela eta, etorkizunerako beste estrategia batzuk ikertzen ari dira. Horien artean, jakinekoa da gainazalek garrantzi handia dutela hainbat mikrobioren hedapenean . Beraz, mikrobioei aurre egiteko gainazal aproposak bagenitu inguru desberdinetarako, arazoa mugatzeko bidean geundeke. Helburu horrekin, Tecnaliak eta Cidetec Surface Engineeringek arlo horretan teknologia ezberdinak ikertzen eta ahalbide berriak garatzen dihardute.

mikrobioak-eta-gainazalak-arazoa-eta-konponbidea
1. irudia. S. epidermidis biofilm bat osatzeko prozesuan, gainazal-kontrol batean (altzairu herdoilgaitza), in vitro saiakera baten ondoren, mikroskopio elektronikoarekin ikusita. Biofilmak azalera batera atxikita dauden egitura biologikoak dira, mikrobio ugariz eta zelulaz kanpoko mikrobioek ekoitzitako proteinaz eta polisakaridoz osatuak. Biofilmak mikrobioak babesten ditu, eta, berez, tratamenduak nabarmen zailtzen ditu. In vitro saiakerak organismo batetik kanpo, gune artifizial kontrolatuetan, egiten diren teknika esperimentalak dira. Arg. Tecnalia.

Parasito, bakterio nahiz birus eran, mikrobioek gaixotasun asko eragiten dute. Antibiotikoak agertu ziren arte, infekzioek eraginda hil ohi ziren gizaki gehienak historian zehar. Gaur egun, mikrobioak, mutazioei esker, antibiotikoekiko gero eta erresistentzia handiagoa garatzen ari dira, eta Europar Batasunean urtean 33.000 hildako eragiten dituzte.

Profilaxi eta terapia zorrotzagoak gauzatzeaz gain, ikerketa-eremuan lan ugari egiten ari dira mikrobioen aurkako tresna berriak garatzeko asmoarekin. Jakinekoa da mikrobioak hedatzen zeregin garrantzitsua betetzen dutela inguruko objektuen gainazalek. Ondorioz, ikerketa lan askok mikrobioen aurkako gainazalak garatzeko helburua dute. Oro har, bi estrategia nagusiri jarraitzen diete ikerketa horiek: alde batetik, gainazalekin kontaktuan leudekeen mikrobioen atxikidura eta hedapena ekiditea edo mikrobioak hiltzea; eta, bestetik, gainazaletatik mikrobioen aurkako agenteak askatzea, inguruko mikrobioetan eragin dezaten. Bi estrategia horiek abantailak eta berezko mugak dituzte. Adibidez, mugetako bat da ezin dela gainazaletatik mikrobioen aurkako agenteen kopuru eraginkor bat nahi adina denboran askatu. Gainera, eranginkorra den baino kopuru txikiagoa askatzen bada, mikrobioek agente horiekiko erresistentzia garatu dezakete; kopurua handia bada, berriz, inguruko bizidunetan toxikotasun-arazoak gerta daitezke.

Eremu honetan, Tecnalian, zenbait ikerketa-ildo jarri dira martxan azken urteotan. Alde batetik, magnetron sputtering eta sol-gel teknologietan oinarrituta, mikrobioen aurkako estaldurak garatzen dihardugu. Aldi berean, gainazal horien eraginkortasuna egiaztatzeko eta neurtzeko prozedurak garatu ditugu, adibidez in vitro moduan bakterioen (1. irudia) edo berriki birusen aurka, eta in vivo moduan BioDonostia eta Osakidetzako medikuekin elkarlanean. Bestalde, ebaluatu da zenbat denboran diren eraginkorrak, adibidez, higaduraren, korrosioaren edo garbiketa-produktuen eta esterilizazio-prozeduren eraginpean.

2. irudia. Altzairu herdoilgaitzaren eta TiN/TiN%4Ag estaldurako altzairu beraren gogortasunak (goian), eta estalduraren bi geruzen irudia, mikroskopio elektronikoak emana (behean). Arg. Tecnalia

Magnetron sputtering teknikaren bidez estaldura meheak ezar daitezke aukeratutako gainazaletan, eta, nahi izanez gero, geruza ezberdinak bata bestearen gainean. Metalen eremuan, jakinekoa da zilarrak (Ag) eta kobreak (Cu), adibidez, baldintza egokietan, mikrobioen aurkakok eragina izan dezaketela. Ezaugarri horiez baliatuz, zilarrez eta kobrez dopatutako geruza gogorrak garatu dira Tecnalian. Gogortasunak higaduraren aurkako propietatea ematen dio estaldurari. Adibidez,  nitruro gogorren bidez gauzatu daiteke.

Ikerketei esker, geruza-familia ezberdinak garatu dira, kasu ezberdinetarako aproposak. Esate baterako, titanio nitrurozko (TiN) eta zilarrez dopatutako titanio nitrurozko (TiNAg) geruzez osatutako estalduren kasuan, aurreneko TiN geruzak altzairuak berez daukan gogortasuna nabarmen handitzen du (hirukoiztu); gainean ipinitako geruzan zilar-portzentaje txiki bat gehitzen bada, TiNAg, mikrobioen aurkako espektro zabaleko efektua lor daiteke (S. epidermidis bakterioaren aurrean, bakterioen % 99 baino gehiago hiltzea). Gainera, geruza horrek toxikotasunik ez duela egiaztatu da, ISO 10993 estandarra jarraituz. Izan ere, askatzen duen zilar-kantitateak ez du inguruko zeluletan kalterik eragiten. Bestalde, marruskadura-balioak ere, zilarrari esker, txikiagoak dira. (2. irudia).

 

3. Irudia. Ur-tantak energia txikiko estaldura bat duen aluminiozko substratu baten gainean (goian), eta ur-tanta batek substratu baten gainean duen ukipen-angelua, gainazaleko energia txikiko estaldurarekin (behean). Arg. Cidetek

Cidetec Surface Engineering-en kasuan, estrategia nagusia mikrobioen atxikipena minimizatzean oinarritzen da, gainazaleko energia txikiko eta irristatze handiko estaldurak garatuz (3. irudia). Bakterioen kasuan, horrelako estaldurek biofilmaren eraketa inhibitzen laguntzen dute. Zehazki, kate polimeriko libre edo sareztatuak dituzten estaldurak dira, talde funtzional espezifikoak dituztenak (silanoak, fosfonatoak edo epoxi taldeak), substratuen gainean ainguraketa kobalentea egiteko aukera ematen dutenak. Kate horiek fluoratuta egon daitezke, osorik edo zati batean, edo fluor-atomorik gabe, adibidez, polisiloxanoetan oinarritutako kateak.

Bestalde, Cidetec Surface Engineering-ek atxikipen eta efektu biozida txikiko propietate konbinatuak dituzten estaldurak garatzen ditu, mikrobioen aurkako ahalmen handiagoa ematen duten efektu sinergikoak lortzeko. Horretarako, atxikipen txikiko estalduraren hasierako formulazioan kargatutako espezieak sartzen dira, edo, bestela, horren ondorengo funtzionalizazio gisa. Agente fotokatalitikoak ere erabiltzen dira, organikoak nahiz inorganikoak, argi ultramorearen (UVA) ikus-eremuan energia xurgatzeko gaitasuna dutenak.

Beraz, laburtuz, argi dago eguneroko bizitzan inguratzen gaituzten gainazalek garrantzi handia dutela mikrobioen —eta, beraz, infekzioen— hedapenean. Arriskua, ordea, konponbide bilakatu daiteke gainazal aproposak garatzeko gai bagara.

Ildo horretan, FRONTIERS 21 ikerketa-proiektua dute martxan Tecnaliak, Cidetec Surface Engineering-ek eta beste bazkide batzuek (Elkartek KK-2021/00124). Proiektuaren helburua da gainazal-teknologien eremuan bakterioen eta birusen aurkako ezagutza zientifiko-tekniko eta ahalbide berriak garatzea, bai medikuntzarako, bai industriarako.

 

Erreferentziak.

[1] Arciola C.R., Campoccia D., Montanaro L. 2018. “Implant infections: adhesion, biofilm formation and immune evasion”. Nat. Rev. Microbiol. 16, 397–409. https://doi.org/10.1038/s41579-018-0019-y

[2] Braceras I., Álvarez N., Martínez Van Geeteruyen M., Brizuela M. 2021. “TiN-Ag as an antimicrobial and wear resistant coating”. Biotribology 28, 100192. https://doi.org/10.1016/j.biotri.2021.100192

[3] Campoccia D., Montanaro L., Renata Arciola C. 2006. “The significance of infection related to orthopedic devices and issues of antibiotic resistance”. Biomaterials 27, 2331–2339. , https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2005.11.044

[4] Cloutier M., Mantovani D., Rosei F. 2015. “Antibacterial coatings: challenges, perspectives, and opportunities”. Trends Biotechnol. 33-11, 637–652. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2015.09.002

[5] Davidson J.D., Spratt D., Liddle A.D. 2019. “Implant materials and prosthetic joint infection: the battle with the biofilm”. Effort Open Rev. 4, 633–639. https://doi.org/10.1302/2058-5241.4.180095

[6] Jung W.K., Koo H.C., Kim K.W., Shin S., Kim S.H., Park Y.H. 2008. “Antibacterial activity and mechanism of action of the silver ion in Staphylococcus aureus and Escherichia coli”. Appl. Environ. Microbiol. 74, 2171–2178. https://doi.org/10.1128/AEM.02001-07

[7] Katzenberger R.H., Rösel A. eta Vonberg R-P. 2021. “Bacterial survival on inanimate surfaces: a field study”. BMC Res. Notes 14:97, 1-10. https://doi.org/10.1186/s13104-021-05492-0

[8] Moriarty T.F., Kuehl R., Coenye T., Metsemakers W.-J., Morgenstern M., M. Schwarz E., Riool M., Zaat S.A.J., Khana N., Kates S.L., Richards R.G. 2016. “Orthopaedic device-related infection: current and future interventions for improved prevention and treatment, Effort Open Rev. 1, 89–99. https://doi.org/10.1302/2058-5241.1.000037

[9] Romanò C.L., Tsuchiya H., Morelli I., Battaglia A.G., Drago L. 2019. “Antibacterial coating of implants: are we missing something?”. Bone Joint Res. 8, 199–206. https://doi.org/10.1302/2046-3758.85.BJR-2018-0316

[10] Watson R., Oldfield M., Bryant J.A., Riordan L., Hill H.J., Watts J.A., Alexander M.R., Cox M.J., Stamataki Z., Scurr D.J. eta de Cogan F. 2022. “Efficacy of antimicrobial and anti‑viral coated air filters to prevent the spread of airborne pathogens” Nature portfolio, scientific reports 12, 2803. https://doi.org/10.1038/s41598-022-06579-9

Idatzi zuk zeuk Gai librean atalean

Gai librean aritzeko, bidali zure artikulua aldizkaria@elhuyar.eus helbidera
Hauek dira Gai librean atalean Idazteko arauak

Gai honi buruzko eduki gehiago

Elhuyarrek garatutako teknologia

Jarrai iezaguzu

Zu idazle

Zientzia aldizkaria

azken alea
Babesleak
Eusko Jaurlaritzako Industria, Merkataritza eta Turismo Saila
MAIER Koop. Elk.
KIDE Koop. Elk.
ULMA Koop. Elk.
EIKA Koop. Elk.
LAGUN ARO Koop. Elk.
FAGOR ELECTRÓNICA Koop. Elk.