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Arnaldoa

versión impresa ISSN 1815-8242versión On-line ISSN 2413-3299

Arnaldoa vol.31 no.1 Trujillo ene./abr. 2024  Epub 20-Abr-2024

http://dx.doi.org/10.22497/arnaldoa.311.31109 

Artículos originales

Mecanismos antibacterianos de nanopartículas de plata obtenidas por síntesis química: una revisión

Antibacterial applications of silver nanoparticles obtained by chemical synthesis: a review

Juan J. Pedro Huaman1 
http://orcid.org/0000-0001-6230-3670

Gina G. Zavaleta Espejo1  2 
http://orcid.org/0000-0001-9087-6767

Estefany M. Bejarano Navarrete1 
http://orcid.org/0000-0003-1054-2738

1Facultad de Ciencias Biológicas, Universidad Nacional de Trujillo, PERÚ

2Grupo Multidisciplinario de Investigación en Nanociencia y Nanotecnología, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad Nacional de Trujillo.

Resumen

El estudio y la mejora de la capacidad antibacteriana de los compuestos innovadores, como las nanopartículas, resulta ser de vital importancia debido a que las bacterias van adquiriendo rápidamente resistencia los antibióticos. La presente investigación tiene como objetivo realizar una revisión bibliográfica sobre el efecto de las nanopartículas de plata obtenidas a partir de diferentes o diversas síntesis química aplicadas a diferentes grupos de bacterias, las nanopartículas de plata han resultado efectivas contra muchos grupos de bacterias como las bacterias gram positivas y gram negativas. Las nanopartículas de plata varían en morfología y tamaño lo cual influye sobre tu actividad antibacteriana. Mostrando un mejor efecto sobre las gram negativas, posiblemente por su pared bacteriana más delgada permitiendo que las nanopartículas o los iones derivados puedan atravesar más fácilmente y actuar a nivel de la membrana o ingresar a la célula donde pueden interferir con la cadena respiratoria, causar daños en proteínas, lípidos, ácidos nucleicos entre otros. Igualmente, sobre Staphylococcus aureus, a menor tamaño se apreció una mayor actividad antibacteriana debido a su fácil ingreso y con respecto a la morfología, podemos señalar que la más frecuente fue la esférica. Se concluye que las nanopartículas de plata obtenidas por síntesis química presentan una elevada actividad antibacteriana.

Palabras clave: nanopartículas de plata; tamaño; morfología; caracterización; síntesis química reduccional; resistencia bacteriana; mecanismo de acción

Abstract

The study and improvement of the antibacterial capacity of innovative compounds, such as nanoparticles, turns out to be of vital importance because bacteria are rapidly acquiring resistance to antibiotics. The objective of this research is to carry out a bibliographical review on the effect of silver nanoparticles obtained from different or diverse chemical syntheses applied to different groups of bacteria, silver nanoparticles have been effective against many groups of bacteria such as gram bacteria. positive and gram negative. Silver nanoparticles vary in morphology and size, which influences their antibacterial activity. Showing a better effect on gram negatives, possibly due to its thinner bacterial wall allowing nanoparticles or derived ions to pass through more easily and act at the membrane level or enter the cell where they can damage the respiratory chain, cause damage in proteins, lipids, nucleic acids among others. Likewise, on Staphylococcus aureus, the smaller the size, the greater the antibacterial activity was appreciated due to its easy entry and with respect to the morphology we can point out that the most frequent was the spherical one. Finally, it is concluded that the silver nanoparticles obtained by chemical synthesis have a high antibacterial activity.

Keywords: silver nanoparticles; size; morphology; characterization; reduction chemical synthesis; bacterial resistance; mechanism of action

Introducción

Dentro de los nanomateriales podemos considerar que las nanopartículas por sus diferentes usos como agentes antibacterianos, especialmente las sintetizadas en base a metales, que ayudan en el control de agentes infecciosos que pueden causar graves problemas de salud a la población humana y otros seres vivos. Actualmente, el estudio y la mejora de la capacidad antibacteriana resulta ser de vital importancia por lo cual las nanopartículas resultan ser un tema de investigación de gran interés (Asha, 2021; Bitencourt et al., 2016; Chausali et al., 2022; Ferreira et al., 2013; Kargozar & Mazofari, 2018). La presente investigación tiene como objetivo realizar una revisión del estado del arte sobre los mecanismos antibacterianos de las nanopartículas de plata obtenidas a partir de síntesis química sobre diferentes grupos de bacterias tratando de dilucidar sobre los mecanismos y factores que controlan dicha actividad.

Material y métodos

Se realizó la búsqueda de información en las siguientes bases de datos: ScienceDirect y Google Académico se consideraron artículos en idioma inglés y español, considerando artículos de los últimos 25 años de antigüedad dando preferencia a los artículos más recientes utilizando como términos de búsqueda: Effect antibacterial silver nanoparticles, Effect antibacterial silver nanoparticles, effect antibacterial silver nanoparticles Escherichia coli, effect antibacterial silver nanoparticles Staphylococcus, effect antibacterial silver nanoparticles Salmonella, effect antibacterial silver nanoparticles Enterococcus con lo cual se obtuvo una alta cantidad de artículos pasando los 5000 artículos en promedio para cada búsqueda y se fueron eliminando aquellos que se encontraban duplicados y que utilizaron distintos métodos de síntesis diferentes a la síntesis química o que no realizaron estudios de actividad antimicrobiana o que presentan mezclas o forman otros nanocompuestos con materiales que generarían una diferencia en las actividades antimicrobianas. Se consideró luego del proceso de filtrado un total de 48 artículos que han sido seleccionados para la presente revisión, la misma que fue referenciada de acuerdo con las normas APA 7° edición.

Resultados

Nanopartículas de plata

Los nanomateriales metálicos presentan diferentes características, como la forma, tamaños y materiales precursores de las síntesis, como plata, hierro, oro, titanio, cerio y platino. Dichas características de estos nanomateriales son las que definen las propiedades que pueden presentar, así como su toxicidad frente a diferentes patógenos, células cancerígenas, aplicaciones catalíticas entre otras, es muy importante también tener en cuenta los distintos métodos de síntesis de nanopartículas (Abass-Sofi et al., 2022; Thakkar et al., 2010) y especificar la relevancia de la síntesis en las propiedades. Las nanopartículas de plata, al igual que otras nanopartículas metálicas, pueden sintetizarse por métodos físicos, químicos o biológicos, estos últimos están marcando tendencia puesto que son mucho más amigables con el ambiente y permiten obtener propiedades nuevas y adicionales para las nanopartículas sintetizadas de esta manera.

Síntesis química de nanopartículas de plata

El método de síntesis juega un papel crucial en las capacidades que pueden adquirir las nanopartículas. Existe una gran variedad de métodos de síntesis como por ejemplo la reducción química, condensación de gas y deposición sonoquímica (Véase Figura 1). También resulta de vital importancia, considerar los parámetros de reacción como concentraciones de precursores y estabilizadores; así como, la optimización del pH, puesto que modifican de gran manera las cualidades que presentarán las nanopartículas. Se puede variar en la reacción: el tipo de agente reductor, la adición o no de agentes estabilizantes que se puedan incluir (Banerjee & Rai, 2022; Yakutik & Shevchenko, 2011). La síntesis reduccional química resulta ser más versátil, económica y fácil para controlar la forma y tamaño de las nanopartículas (Khan et al., 2011).

Efecto antibacteriano de las nanopartículas de plata 

A las nanopartículas de plata se les ha atribuido fuertes actividades antimicrobianas, ejerciendo su actividad mediante diferentes mecanismos. En otras palabras, tienen una adecuada capacidad para inhibir el crecimiento. Una de las técnicas más empleadas para evaluar la actividad antimicrobiana es la de Kirby- Bauer y Stokes (difusión), resultando esta más efectiva para evaluar la actividad antimicrobiana sobre bacterias gran negativas y positivas, así como levaduras (Hassanien & Khatoon, 2018).

La Figura 2 muestra un diagrama de las diferentes técnicas que se utilizan para evaluar la capacidad antibacteriana de las nanopartículas, las técnicas más utilizadas son la de Kirby-Bauer seguidas por la técnica de determinación de Concentración Mínima Inhibitoria y Concentración Mínima Bactericida. En contraste, las técnicas menos utilizadas son la de Fluorescencia de Almar Blue y la de producción de ATP, puesto que resultan ser difíciles de implementarse, así como costosos y no todos los laboratorios tienen acceso. Estas últimas técnicas están relacionadas con estudiar la viabilidad celular basándose en un proceso fisiológico. La precisión y exactitud de la prueba a utilizar marca una diferencia marcada en la determinación de la capacidad antibacteriana de diferentes nanomateriales, en este caso específicamente nos referimos al estudio de las nanopartículas de plata.

Fig. 2 Técnicas empleadas para evaluar la actividad antibacteriana de nanopartículas de plata frente a distintas cepas bacterianas 

La Figura 3 muestra la relación entre las dimensiones de las nanopartículas de plata y el tamaño del halo de inhibición que presentaron las diferentes cepas bacterianas se establece que existe una correlación positiva entre el tamaño de la AgNPs y el tamaño de los halos de inhibición medidos de acuerdo con la Técnica de Kirby Bauer. Sin embargo, en los artículos estudiados no siempre se encuentra concordancia entre los diferentes grupos bacterianos, por lo cual es importante que se implemente un análisis por separado acorde a las características distintivas que presente cada grupo bacteriano.

Fig. 3 Efecto del tamaño de las nanopartículas de plata sobre el tamaño del halo de inhibición (mm) en bacterias. 

En la Figura 4, se muestra la influencia de la concentración de las nanopartículas de plata sobre el tamaño del halo de inhibición evaluado mediante la técnica de Kirby Bauer, donde se observa nuevamente una correlación positiva entre ambas variables. Por el contrario, a diferencia del parámetro analizado en la Figura 3 donde se observó un incremento constante, para la variable concentración de AgNPs se puede observar un aumento no tan marcado con ciertos períodos estáticos con respecto al incremento de la variable diámetro del halo de inhibición. Esto puede explicarse debido a que, al aumentar la concentración, se puede contar con un mayor número de AgNPs que pueden ocasionar un aumento del efecto antibacteriano sobre las cepas evaluadas.

Fig. 4 Efecto de la concentración de las nanopartículas de plata sobre el tamaño del halo de inhibición en bacterias 

Finalmente, se procedió a establecer un análisis de correlación marcado mediante un mapa de calor que se puede observar en la Figura 5 donde asociamos las variables tamaño del halo de inhibición con las concentraciones utilizadas de las AgNPs sobre una tercera variable que en esta ocasión es el número de artículos donde se observan los valores señalados de las otras dos variables. Esto nos permite medir la repetibilidad de estos valores en las diferentes investigaciones. Observamos que en la mayoría de los artículos se reporta que el efecto más grande lo produce las AgNPs de entre 10 y 15 nm a diferentes concentraciones, en mayor parte alrededor de 90 ppm. Nótese que el oscurecimiento del color indica el aumento de artículos.

Adicionalmente, se incluye la Tabla N°1 donde se ha resumido la información de las características de las AgNPs y su efecto antibacteriano sobre las cepas bacterianas.

Fig. 5 Mapa de calor de la correlación entre la concentración de las AgNPs sobre el tamaño del halo de inhibición(mm.) en bacterias con respecto al número de artículos analizados 

Tabla 1 Principales características de las Nanopartícula de plata obtenidas por síntesis química y su actividad antibacteriana 

TMecanismos de acción antibacteriana de las nanopartículas de plata

Las nanopartículas se depositan sobre la superficie bacteriana y liberan iones de plata, estos últimos penetran al interior de la célula bacteriana debido a gradiente de concentración. Las nanopartículas de plata y los iones de plata pueden incorporarse sobre diferentes superficies como telas, polímeros, instrumentos quirúrgicos en forma de revestimiento (Kalwar & Shan, 2018; Korshed et al., 2016; Schneider, 2017). Las nanopartículas de plata presentan diferentes mecanismos que permiten su actividad antibacteriana, por lo cual pueden inclusive ser capaces de actuar frente a bacterias resistentes a antibióticos.

Otro mecanismo que presentan se debe a que las nanopartículas o sus iones pueden ingresar al interior de la célula y afectar a nivel de la membrana celular. Asimismo, como las estructuras subcelulares, las cuales dependen de diferentes factores como el tamaño, forma, superficie y concentración de las nanopartículas. Al interior de la célula bacteriana, uno de los principales mecanismos teorizados para explicar la actividad antibacteriana se basa en el estrés oxidativo inducido y la formación de especies reactivas de oxígeno (ROS), dichos compuestos serían los responsables del daño a las bacterias (Dakal et al., 2016; Slavin et al., 2017; Zheng et al., 2018). Las especies reactivas de oxígeno tienen una elevada capacidad oxidante que es la responsablede que cause daños a nivel de diferentes estructuras celulares. Se considera que el nivel de actividad antimicrobiana varía entre bacterias gram positivas y negativas, señalándose que existe un mayor efecto sobre las bacterias gram negativas. La actividad antimicrobiana puede deberse también a que afectan a nivel del material genético causando mutaciones las cuales perjudican a todo el individuo dependiendo de su ratio y que genes se ven afectados causando la muerte de las bacterias.

Los principales mecanismos de actividad antibacteriana se basan en tres principios: la deposición de las nanopartículas sobre las superficies bacterianas causando la disrupción de la pared bacteriana. Las nanopartículas de plata al ingresar pueden causar daños en el material genético. Asimismo, los iones liberados de las nanopartículas de plata interactúan con las proteínas con tioles que se encuentran en la pared celular y en el interior de la célula como las que forman parte de la cadena respiratoria tal como se puede apreciar en la Figura 6 (Abbasi et al., 2016; Durán et al., 2016; Fernando et al., 2018). Inclusive, se ha comprobado la efectividad de las nanopartículas sobre los biofilms bacterianos que normalmente resultan difíciles de lidiar con los antibióticos que se utilizan para su tratamiento (Siddiqi et al., 2018; Slavin et al., 2017; Tang & Zheng, 2018; Yun’an Qing et al., 2018).

Fig. 6 Principales mecanismos de la actividad antibacteriana de las nanopartículas de plata (Fuente Krishnan et al., 2020

Conclusiones

En las diferentes publicaciones se ha considerado que las nanopartículas de plata con síntesis química pueden utilizar diferentes variaciones en su proceso ya sea cambiando los agentes reductores, estabilizantes u oxidantes, así como en las condiciones de la reacción, lo cual genera que se formen AgNPs de diferentes formas y tamaños. Dentro de lo analizado, podemos observar que las AgNPs presentan un buen efecto sobre las bacterias gram positivas y gram negativas, aunque en la mayor parte de artículos se observa que el efecto es mucho mejor sobre las gram negativas, los autores atribuyen esta diferencia a las variaciones en la composición de la pared bacteriana que tienen ambos grupos, donde las gram negativas al tener una menor capa de peptidoglucano es mucho más sencillo que puedan pasar las nanopartículas a través de su pared en comparación a la de las bacterias gram positivas. Los diferentes artículos también describen el mecanismo de acción de las nanopartículas, la mayoría de investigaciones coinciden en que la actividad de las AgNPs se debe a la liberación de los iones de plata a partir de las mismas, los cuales pueden actuar a nivel de la membrana o ingresar al interior de la célula donde pueden interferir con distintos procesos biológicos como la cadena respiratoria, causar daños en el ADN entre otros. Igualmente, sobre S. aureus (Bacteria Gram +), a menor tamaño se apreció una mayor actividad antibacteriana debido a que puede ingresar más fácilmente a través de esta bacteria y ocasionar interferencia con su desarrollo. Con respecto a la morfología, podemos señalar que, aunque la más común fue la esférica, no necesariamente fue la de mejor actividad, algunas otras formas como las hexagonales tuvieron un mayor efecto, lo cual está relacionado con las diferencias en la superficie entre las diferentes formas. Finalmente, las bacterias pueden adquirir resistencia frente a las nanopartículas de plata en relativamente pocas generaciones siempre que se utilicen dosis subletales, esta resistencia parece estar asociada a la expresión de la flagelina y es independiente de los mecanismos implicados en la resistencia a los antibióticos, así como también no está asociada a la resistencia a la plata directamente, por lo cual aunque la plata es particularmente efectiva y muy promisoria se recomienda tener cuidado con los deshechos que contengan AgNPs para evitar generar resistencia de manera innecesaria que pueda causar posteriores problemas.

Agradecimientos

Se agradece la contribución de los asesores que acompañaron la idea de esta revisión y que han motivado el desarrollo de esta investigación.

A la Universidad Nacional de Trujillo por brindar las facilidades para el desarrollo de la presente investigación.

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Citación: Pedro, J.; G. Zavaleta; S. Jáuregui & E. Bejarano. 2024. Mecanismos antibacterianos de nanopartículas de plata obtenidas por síntesis química: una revisión. Arnaldoa 31 (1): 171-185 doi: http://doi.org/10.22497/arnaldoa.311.31109

Recibido: 20 de Julio de 2023; Aprobado: 25 de Enero de 2024

Correspondendia: bio.juphu@gmail.com gzavaleta@unitru.edu.pe fany.bn14@gmail.com

Contribución de los autores

J. P., G.Z. y S.J.: Concepción, diseño, recopilación de información, análisis y redacción. E.B.: revisión de la información, análisis y corrección del informe. Todos los autores han leído el manuscrito final y aprobado la versión.

Conflicto de intereses

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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